DE102013113598A1 - Arrangement for transmitting digital signals via a galvanically isolating interface and field device comprising such an arrangement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) zum Übertragen von digitalen Signalen über eine galvanisch trennende Schnittstelle (3) von einer Primärseite zu einer Sekundärseite, umfassend eine Leiterplatte (PCB) mit einer Primärspule (L1) und einer Sekundärspule (L2), wobei die Primärspule (L1) auf der Primärseite auf zumindest einer ersten Lage der Leiterplatte angeordnet ist, wobei die Sekundärspule (L2) auf der Sekundärseite auf zumindest einer zweiten Lage der Leiterplatte (PCB) angeordnet ist, so dass sich die Primärspule (L1) und die Sekundärspule (L2) gegenüberliegen, wobei die Primärspule (L1) und die Sekundärspule (L2) die galvanisch trennende Schnittstelle (3) zum Übertragen von digitalen Signalen bilden, und wobei in der Leiterplatte (PCB) zwischen der Primärspule (L1) und der Sekundärspule (L2) eine Ableitstruktur (2) angeordnet ist, welche die Primärspule (L1) und/oder die Sekundärspule (L2) vor durch kapazitive Kopplung zwischen Primärspule (L1) und Sekundärspule (L2) verursachten Störströmen abschirmt, insbesondere dadurch, dass die Störströme auf die Ableitstruktur (2) abgeleitet werden. Die Erfindung betrifft weiter ein Feldgerät.The invention relates to an arrangement (1) for transmitting digital signals via a galvanically separating interface (3) from a primary side to a secondary side, comprising a printed circuit board (PCB) having a primary coil (L1) and a secondary coil (L2), wherein the primary coil (L1) is arranged on the primary side on at least a first layer of the printed circuit board, wherein the secondary coil (L2) is arranged on the secondary side on at least one second layer of the printed circuit board (PCB), so that the primary coil (L1) and the secondary coil ( L2), wherein the primary coil (L1) and the secondary coil (L2) form the galvanically separating interface (3) for transmitting digital signals, and wherein in the printed circuit board (PCB) between the primary coil (L1) and the secondary coil (L2) a Ableitstruktur (2) is arranged, which the primary coil (L1) and / or the secondary coil (L2) before by capacitive coupling between the primary coil (L1) and Seku Outer coil (L2) shields interference currents, in particular by the fact that the interference currents are discharged to the discharge structure (2). The invention further relates to a field device.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Übertragen von digitalen Signalen über eine galvanisch trennende Schnittstelle und ein Feldgerät, insbesondere einen Transmitter, umfassend eine solche Anordnung.The invention relates to an arrangement for transmitting digital signals via a galvanically isolating interface and a field device, in particular a transmitter, comprising such an arrangement.
Es ist bekannt, dass über in Leiterplatten (englischer Ausdruck: printed circtuit board, kurz PCB) integrierten Spulen, so genannte Printspulen, Daten übertragen werden können. Dabei befindet sich je auf einer Seite einer Leiterplatte – häufig auf einer Oberflächenlage – zumindest eine Leiterbahn, die so ausgestaltet ist, dass sie als elektrische Spule fungiert. Die Spule ist dabei etwa schneckenförmig in Kreis- oder Rechteckanordnung ausgestaltet.It is known that data can be transferred via so-called print coils integrated in printed circuit boards (printed circuit board, or PCB). In each case, on one side of a printed circuit board - often on a surface layer - there is at least one printed conductor which is configured such that it functions as an electrical coil. The coil is designed approximately helically in a circle or rectangular arrangement.
Dabei koppeln die auf gegenüberliegenden Seiten der Leiterkarte angeordneten Leiterbahnen induktiv miteinander und können zur Übertragung digitaler Signale genutzt werden. Man spricht hierbei auch von Printübertragern.In this case, arranged on opposite sides of the printed circuit board interconnect inductively with each other and can be used to transmit digital signals. This is also referred to as Printübertragern.
Auf diesem Weg können die Anforderungen des Explosionsschutzes Exi (Zündschutzart eigensicher) an eine ausreichende dielektrische Isolierung zwischen beiden Seiten der galvanischen Trennung einfach sichergestellt werden, ohne dass extra spezifizierte und nach den Anforderungen der Explosionschutznormen ausgelegte Signaltransformatoren verwendet werden müssen. Durch den Verzicht auf Transformatoren können auch die Systemkosten gesenkt werden.In this way, the requirements of explosion protection Exi (type of protection intrinsically safe) to a sufficient dielectric isolation between the two sides of the galvanic isolation can be easily ensured without the need for specially specified and designed according to the requirements of the explosion protection standards signal transformers. By eliminating transformers, the system costs can be reduced.
Folgende Probleme, bestehen jedoch bei Verwendung der Printübertrager: Die Signalstärken sind durch die schlechte induktive Kopplung sehr schwach. Die Printspulenpaare sind nicht nur induktiv, sondern auch stark kapazitiv miteinander verkoppelt, was EMV-Probleme durch das kapazitive Überkoppeln von Störsignalen generiert. Um unter Anwesenheit von EMV-Störungen ein ausreichend gutes Signal-zu Rausch Verhältnis zu erzielen, müssen die Printspulen eine vergleichsweise große Leiterplattenfläche aufweisen, die damit nicht für die Bauteilebestückung zur Verfügung steht. Dadurch, dass der ohmsche Widerstand der Printspulen im Verhältnis zu ihrer Induktivität sehr hoch ist, können die Spulen keine hohen Impedanzen treiben. Damit wird z. B. für die Sekundärseite die Eingangskapazität einer angeschlossenen Empfangsschaltung sehr bedeutsam.The following problems, however, exist when using the print transformer: The signal strengths are very weak due to the poor inductive coupling. The pairs of print coils are not only inductive, but also highly capacitively coupled with each other, which generates EMC problems due to the capacitive coupling of interference signals. In order to achieve a sufficiently good signal-to-noise ratio in the presence of EMC interference, the print coils must have a comparatively large printed circuit board surface, which is thus not available for component assembly. Because the ohmic resistance of the print coils is very high in relation to their inductance, the coils can not drive high impedances. This is z. B. for the secondary side, the input capacitance of a connected receiving circuit very significant.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Printübertrager störfester zu machen und so zu modifizieren, dass sie auch bei eingeschränktem Bauraum eingesetzt werden können.The invention has for its object to make the known print transformer more resistant to interference and to modify so that they can be used even in a limited space.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung umfassend eine Leiterplatte mit einer Primärspule und einer Sekundärspule, wobei die Primärspule auf der Primärseite auf zumindest einer ersten Lage der Leiterplatte angeordnet ist, wobei die Sekundärspule auf der Sekundärseite auf zumindest einer zweiten Lage der Leiterplatte angeordnet ist, so dass sich die Primärspule und die Sekundärspule gegenüberliegen, wobei die Primärspule und die Sekundärspule die galvanisch trennende Schnittstelle zum Übertragen von digitalen Signalen bilden, und wobei in der Leiterplatte zwischen der Primärspule und der Sekundärspule eine Ableitstruktur angeordnet ist, welche die Primärspule und/oder die Sekundärspule vor durch kapazitive Kopplung zwischen Primärspule und Sekundärspule verursachten Störströmen abschirmt, insbesondere dadurch, dass die Störströme auf die Ableitstruktur abgeleitet werden.The object is achieved by an arrangement comprising a printed circuit board with a primary coil and a secondary coil, wherein the primary coil is arranged on the primary side on at least a first layer of the printed circuit board, wherein the secondary coil is arranged on the secondary side on at least one second layer of the printed circuit board in that the primary coil and the secondary coil are opposite one another, the primary coil and the secondary coil forming the galvanically separating interface for transmitting digital signals, and wherein in the printed circuit board between the primary coil and the secondary coil, a diverting structure is arranged, which the primary coil and / or the secondary coil shields caused by capacitive coupling between the primary coil and secondary coil interference currents, in particular by the fact that the interference currents are dissipated to the Ableitstruktur.
Werden die jeweiligen Ableitstrukturen wie oben angesprochen verbunden, so leiten diese den überwiegenden Anteil der sich ausbildenden Störströme ab. Damit werden diese Störströme jetzt an der Primärspule und Sekundärspule vorbeigeleitet. Insbesondere die schwächeren sekundärseitigen Signale der für den Empfang genutzten Sekundärspule sind jetzt von weit schwächeren Störkomponenten beeinflusst.If the respective discharge structures are connected as mentioned above, then they divert the predominant portion of the forming interference currents. Thus, these interference currents are now bypassed the primary coil and secondary coil. In particular, the weaker secondary-side signals of the secondary coil used for the reception are now influenced by far weaker interference components.
Für eine einfache und kostengünstige Herstellung ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Primärspule und/oder die Sekundärspule als Leiterbahn auf/in der Leiterplatte ausgestaltet, und die Ableitstruktur ist als Leiterbahn in der Leiterplatte ausgestaltet.For an easy and inexpensive production, the primary coil and / or the secondary coil is designed as a conductor on / in the circuit board in an advantageous embodiment, and the Ableitstruktur is configured as a conductor in the circuit board.
Vorteilhafterweise umfassen die Primärspule, Sekundärspule und Ableitstruktur jeweils zwei Lagen der Leiterplatte, wobei die Ableitstruktur zumindest eine Primärableitstruktur und eine Sekundärableitstruktur umfasst und die Primärableitstruktur der Primärspule und die Sekundärableitstruktur der Sekundärspule zugeordnet sind.Advantageously, the primary coil, secondary coil and diverting structure each comprise two layers of the printed circuit board, wherein the diverting structure comprises at least one primary winding structure and a secondary conductive structure and the primary winding structure of the primary coil and the secondary winding structure of the secondary winding are assigned.
In einer bevorzugten Ausgestaltung befinden sich die Primärableitstruktur und die Sekundärableitstruktur auf verschiedenen Lagen der Leiterplatte, insbesondere auf zwei verschiedenen inneren Lagen der Leiterplatte. Alternativ können die Primärableitstruktur und die Sekundärableitstruktur auf der gleichen inneren Lage der Leiterplatte angeordnet sein.In a preferred embodiment, the primary baffle structure and the secondary baffle structure are located on different layers of the printed circuit board, in particular on two different inner layers of the printed circuit board. Alternatively, the primary baffle structure and the secondary baulk structure may be disposed on the same inner layer of the printed circuit board.
Befinden sich die Primärableitstruktur und die Sekundärableitstruktur auf verschiedenen Lagen der Leiterplatte, wird bevorzugt ein Abstand zwischen den entsprechenden Lagen gewählt, der die Vorschriften der „Zündschutzart eigensicher” berücksichtigt. Es kann somit eine galvanische Trennung erreicht werden, die diesen Anforderungen genügt. So ist beispielsweise der Abstand bei entsprechendem Leiterplattenmaterial circa 1 mm.If the primary baffle structure and the secondary baffle structure are located on different layers of the printed circuit board, it is preferable to choose a distance between the corresponding layers which takes into account the regulations of the "type of protection intrinsically safe". It can thus be achieved a galvanic separation that meets these requirements. For example, the distance is about 1 mm with appropriate printed circuit board material.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Primärspule und die Sekundärspule je eine Oberflächenlage, und je eine innere Lage der Leiterplatte. Die Primärspule bzw. die Sekundärspule wird somit aus einer Leiterbahn auf je einer Oberflächenlage und einer Innenlage der Leiterplatte gebildet. According to a preferred embodiment, the primary coil and the secondary coil each comprise a surface layer, and an inner layer of the printed circuit board. The primary coil or the secondary coil is thus formed from a conductor track on each of a surface layer and an inner layer of the printed circuit board.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Ableitstruktur keine flächigen Teilsegmente sondern lediglich zusammenhängende, möglichst dünne Einzelleitungen, insbesondere ist die Ableitstruktur fächer-, mäander-, oder schneckenförmig ausgestaltet. Wichtig dabei ist insbesondere, dass die Struktur im mathematisch-topologischen Sinne eine einfach zusammenhängende Fläche bildet, d. h. dass von den dünnen Einzelleitern keine „Leerräume” etwa in Form etwa einer Leiterschleife umschlossen werden. Beispielsweise wäre eine gitterförmige Struktur nicht optimal, da sich um die Maschen des Gitters herum Leiterschleifen bilden können, die für Primär- und Sekundärspule als Kurzschlusswindung wirken können.In an advantageous embodiment, the discharge structure comprises no flat sub-segments but only contiguous, as thin as possible individual lines, in particular the discharge structure is fan-shaped, meandering, or helical configured. It is particularly important that the structure in the mathematical-topological sense forms a simply coherent surface, d. H. that the thin individual conductors do not surround any "empty spaces", for example in the form of a conductor loop. For example, a lattice-shaped structure would not be optimal because conductor loops can form around the meshes of the grid, which can act as a short-circuit winding for the primary and secondary coils.
Besonders bevorzugt ist die Ableitstruktur mit Masse verbunden. Weiter ist besonders bevorzugt, dass die Primärableitstruktur mit Masse der Primärseite, und die Sekundärableitstruktur mit Masse der Sekundärseite verbunden sind. Werden die jeweiligen Ableitstrukturen mit den jeweiligen Massepotentialen verbunden, so leiten diese den überwiegenden Anteil der sich ausbildenden Störströme ab. Damit werden diese Störströme jetzt an den Spulen vorbeigeleitet.Particularly preferably, the dissipation structure is connected to ground. Furthermore, it is particularly preferred that the primary baffle structure are connected to ground of the primary side, and the secondary baffle structure to ground of the secondary side. If the respective Ableitstrukturen connected to the respective ground potentials, so they derive the vast majority of the forming interference currents. Thus these disturbing currents are now bypassed the coils.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die digitalen Signale in Form von Impulsen bei Pegelwechseln übertragen, insbesondere entspricht ein digitaler Pegelwechsel 0 -> 1 einem positiven Impuls und ein Pegelwechsel 1 -> 0 einem negativen Impuls, oder umgekehrt. So können die Signale mit relativ geringer Leistung übertragen werden.In an advantageous embodiment, the digital signals are transmitted in the form of pulses at level changes, in particular a digital level change 0 -> 1 corresponds to a positive pulse and a level change 1 -> 0 a negative pulse, or vice versa. So the signals can be transmitted with relatively low power.
Um dies zu realisieren umfasst die Anordnung bevorzugt eine Treiberschaltung zum Einkoppeln der digitalen Signale in die Primärspule, wobei die Treiberschaltung eine Ausgangsimpedanz aufweist und über einen Koppelkondensator an die Primärspule angeschlossen ist. Bei geeigneter Dimensionierung von Koppelkondensator und Ausgangsimpedanz ist es möglich, unerwünschte Serienresonanzschwingungen vorteilhaft zu unterdrücken.In order to realize this, the arrangement preferably comprises a driver circuit for coupling the digital signals into the primary coil, wherein the driver circuit has an output impedance and is connected to the primary coil via a coupling capacitor. With suitable dimensioning of coupling capacitor and output impedance, it is possible to suppress unwanted series resonance vibrations advantageous.
In einer vorteilhaften Ausführungsform bildet der Koppelkondensator und die Primärspule einen Serienresonanzkreis mit einer Resonanz und einer Periodendauer, und die durch die Ausgangsimpedanz und den Koppelkondensator gebildete Dämpfungszeitkonstante ist mit t1 = R1·C1 größer oder gleich 10% der Periodendauer. Um dies zu realisieren wird der Koppelkondensator entsprechend groß gewählt. In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Dämpfungszeitkonstante t1 kleiner als der Kehrwert der Übertragungsfrequenz der digitalen Signale. Die eigentlichen digitalen Signale werden somit nicht durch überlagernde Resonanzen des Schwingkreises gestört.In an advantageous embodiment, the coupling capacitor and the primary coil form a series resonant circuit with a resonance and a period duration, and the damping time constant formed by the output impedance and the coupling capacitor is greater than or equal to 10% of the period duration with t1 = R1 * C1. To realize this, the coupling capacitor is selected to be correspondingly large. In an additional embodiment, the damping time constant t1 is less than the reciprocal of the transmission frequency of the digital signals. The actual digital signals are thus not disturbed by overlapping resonances of the resonant circuit.
Bevorzugt umfasst die Anordnung eine Empfangsschaltung zum Auskoppeln der digitalen Signale aus der Sekundärspule, wobei die Empfangsschaltung einen Schmitt-Trigger umfasst, wobei ein Kontakt der Sekundärspule mit dem Eingang des Schmitt-Triggers verbunden ist, und wobei die Empfangsschaltung eine Unterschaltung umfasst, die den Signalpegel des Ausgangs des Schmitt-Triggers bei Abwesenheit von Impulsen auf der Sekundärspule konstant beibehält, insbesondere ist der Ausgang des Schmitt-Triggers als Rückkopplung mit dem Eingang des Schmitt-Triggers verbunden. Wie erwähnt erfolgt die Übertragung der digitalen Signale in Impulsen. Mit der beschriebenen Empfangsschaltung kann gewährleistet werden, dass auch in Abwesenheit von Impulsen ein Signal am Ausgang anliegt.Preferably, the arrangement comprises a receiving circuit for coupling the digital signals from the secondary coil, wherein the receiving circuit comprises a Schmitt trigger, wherein a contact of the secondary coil is connected to the input of the Schmitt trigger, and wherein the receiving circuit comprises a subcircuit, the signal level the output of the Schmitt trigger constant in the absence of pulses on the secondary coil, in particular the output of the Schmitt trigger is connected as feedback to the input of the Schmitt trigger. As mentioned, the transmission of the digital signals takes place in pulses. With the described receiving circuit can be ensured that even in the absence of pulses, a signal is applied to the output.
In eine vorteilhaften Ausführungsform enthält die Sekundärseite eine mit einer ersten Versorgungsspannung betriebene Auswerteschaltung, welche die über die galvanisch trennende Schnittstelle übertragenen digitalen Signale verarbeitet, und der an die Sekundärspule angeschlossene Schmitt-Trigger mit einer von der ersten Versorgungsspannung abweichenden, insbesondere einer geringeren, zweiten Versorgungsspannung betrieben wird, und den Signalpegel am Ausgang des Schmitt-Triggers mittels eines Pegelumsetzers auf den Signalpegel der ersten Versorgungsspannung umgewandelt wird. So kann der Signalpegel am Ausgang auf den gewünschten Wert gesetzt werden, insbesondere wird der Signalpegel erhöht. Durch die beschriebene galvanische Trennung und die Übertragung über die Primärspule und Sekundärspule verliert das Signal an Amplitude, die durch den Pegelumsetzer für nachfolgende Bauteile wieder hochgesetzt wird.In an advantageous embodiment, the secondary side contains an evaluation circuit which is operated with a first supply voltage and processes the digital signals transmitted via the galvanically isolating interface, and the Schmitt trigger connected to the secondary coil with a second supply voltage deviating from the first supply voltage is operated, and the signal level at the output of the Schmitt trigger is converted by means of a level shifter to the signal level of the first supply voltage. Thus, the signal level at the output can be set to the desired value, in particular the signal level is increased. Due to the described galvanic isolation and the transmission via the primary coil and secondary coil, the signal loses amplitude, which is raised again by the level converter for subsequent components.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Unterschaltung zumindest ein Dämpfungsglied, insbesondere zumindest einen Widerstand, wobei das Dämpfungsglied insbesondere in der Rückkopplung zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Schmitt-Triggers angeordnet ist. So kann eine an der Sekundärspule auftretende Schwingung bedämpft werden.In a preferred embodiment, the subcircuit comprises at least one attenuator, in particular at least one resistor, wherein the attenuator is arranged in particular in the feedback between the output and the input of the Schmitt trigger. Thus, an oscillation occurring at the secondary coil can be damped.
Es ist entscheidend, dass zumindest die Sekundärableitstruktur vorhanden ist, die einen Signalpfad anbietet, der niederimpedanter ist als der Störsignalpfad über die Sekundärspule. Vorteilhafterweise ist im Fall zweilagiger Spulen (d. h. einer Oberflächenlage und einer Innenlage der Leiterplatte) dann der Eingang des Schmitt-Triggers mit der Innenlage der Leiterplatte verbunden, so dass von außen eingreifende elektrische Störfeldlinien unmittelbar nur die bezüglich der Störwirkung unkritischeren Leiterstrukturen erreichen können, welche nicht direkt an den empfindlichen Schmitt-Trigger-Eingang angeschlossen sind.It is critical that at least the secondary baffle structure be present, offering a signal path that is more low-impedance than the noise path across the secondary coil. Advantageously, in the case of two-layer coils (ie a surface layer and an inner layer of the printed circuit board) then the input of the Schmitt trigger connected to the inner layer of the circuit board, so that from outside interfering electric field lines can only directly reach the non-critical with respect to the interference effect conductor structures, which are not directly connected to the sensitive Schmitt trigger input.
Bevorzugt ist am Eingang des Schmitt-Triggers eine erste Diode mit Kathode gegen die zweite Versorgungsspannung und Anode gegen den Eingang des Schmitt-Triggers geschaltet, und eine zweite Diode ist mit Kathode gegen den Eingang des Schmitt-Triggers und Anode gegen Masse der Sekundärseite geschaltet. Mit einer derartigen Verschaltungen lassen sich gegebenenfalls ausbildende parasitäre Schwingungen, z. B. aufgrund unvermeidlicher Parallelkapazitäten, innerhalb der Spulen vorteilhaft unterdrücken.Preferably, at the input of the Schmitt trigger, a first diode with cathode is connected against the second supply voltage and anode against the input of the Schmitt trigger, and a second diode is connected with cathode against the input of the Schmitt trigger and anode against ground of the secondary side. With such interconnections can be optionally formed parasitic vibrations, z. B. due to unavoidable parallel capacitances, within the coils advantageously suppress.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Feldgerät, insbesondere einen Transmitter, der Prozessautomatisierungstechnik umfassend eine wie vorstehend beschriebene Anordnung.The object is further achieved by a field device, in particular a transmitter, the process automation technology comprising an arrangement as described above.
In einer Ausgestaltung werden die digitalen Signale einem Sensor zugeführt.In one embodiment, the digital signals are supplied to a sensor.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to the following figures. Show it
Wenn nicht anderweitig beschrieben sind in den Figuren gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.Unless otherwise described, the same features are identified by the same reference numerals in the figures.
Die erfindungsgemäße Anordnung in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen
Zunächst soll auf ein erfindungsgemäßes Feldgerät
Das Feldgerät
Die erfindungsgemäße Anordnung
Der Transmitter
Die Leiterbahnen PCB.top und PCB.bottom sind so ausgestaltet, dass diese jeweils eine Spule L1 bzw. L2 bilden. Die Spulen L1 und L2 sind etwa ring- oder rechteckförmig schneckenförmig ausgestaltet, wie in
Die zwei Lagen PCB.top und PCB.inner.L1 bilden somit die Primärspule L1 auf einer ersten Seite der Leiterplatte PCB. Auf einer zweiten Seite der Leiterplatte PCB wird die Sekundärspule L2 gebildet aus den Lagen PCB.bottom und PCB.inner.L2. Diese beiden Spulen L1, L2 bilden einen Printübertrager
Eine vorteilhafte Ausführungsform bestehen darin, dass man für die Printspulen-Kupferlagen (also etwa PCB.top sowie PCB.bottom und deren jeweils darunter liegende Lage) in der Leiterkarte eine erhöhte Kupferdicke verwendet, z. B. 36 μm und mehr, während man für die Ableitstrukturen
Der Durchmesser der Spulen L1 und L2 beträgt etwa 5 mm.The diameter of the coils L1 and L2 is about 5 mm.
Die kapazitive Verkopplung der dabei unmittelbar gegenüberliegenden innenliegenden Leiterstrukturen führt dazu, dass auf diesen Printübertrager
Um dies zu vermeiden wird eine fächer-, mäander- oder schneckenförmige Ableitstruktur
Die Ableitstruktur
Die Konsequenz des Einbaus der Ableitstruktur
Die Ableitstruktur
Für die Wirksamkeit der Abschirmung
Es ist entscheidend, dass zumindest eine sekundärseitige Ableitstruktur
Ein Nachteil des Einbaus der Ableitstruktur
Die Treiberschaltung
Beim Einsatz im explosionsgeschützten Bereich ist ein typisches Merkmal der elektrischen Schaltungen, dass diese sich aus einem extrem limitierten Leistungsbudget versorgen müssen. Die unmittelbare Konsequenz besteht z. B. darin, dass sehr stromsparende Operationsverstärker oder Komparatoren eingesetzt werden müssen. Nun besteht jedoch der unmittelbare physikalische Zusammenhang, dass rauscharme und schnelle Analogschaltungen zwangsläufig höhere Stromaufnahmen aufweisen als stärker rauschende langsame Schaltkreise.When used in the explosion-proof area, a typical feature of electrical circuits is that they have to provide themselves from an extremely limited power budget. The immediate consequence is z. Example is that very low-power operational amplifier or comparators must be used. However, there is the immediate physical connection that low-noise and fast analog circuits inevitably have higher power consumption than more noisy slow circuits.
Die digitalen Signale sollen im Folgenden zur Illustration ohne Einschränkung im Beispiel als UART-Signale betrachtet werden (englisch: Universal Asynchronous Receiver Transmitter, kurz UART). Dabei ist ein UART ist eine elektronische Schaltung, die zur Realisierung von digitalen seriellen Schnittstellen dient. Dabei kann es sich sowohl um ein eigenständiges elektronisches Bauelement (ein UART-Chip bzw. -Baustein) oder um einen Funktionsblock eines höherintegrierten Bauteils (z. B. eines Mikrocontrollers) handeln. Eine UART-Schnittstelle dient zum Senden und Empfangen von Daten über eine Datenleitung. Die Daten werden als serieller digitaler Datenstrom mit einem fixen Rahmen übertragen, der aus einem Start-Bit, fünf bis maximal neun Datenbits, einem optionalen Parity-Bit zur Erkennung von Übertragungsfehlern und einem Stopp-Bit besteht.The digital signals are to be considered below for illustration without limitation in the example as UART signals (English: Universal Asynchronous Receiver Transmitter, short UART). Here is a UART is an electronic circuit that serves to realize digital serial interfaces. This can be either an independent electronic component (a UART chip or component) or a functional block of a component with greater integration (eg a microcontroller). A UART interface is used to send and receive data over a data line. The data is transmitted as a serial digital data stream with a fixed frame consisting of a start bit, five to a maximum of nine data bits, an optional parity bit for detecting transmission errors and a stop bit.
Das Übertragungsverfahren gliedert sich in drei funktionale Teile. Zum einen die Ansteuerung des Übertragers
Zur Signalübertragung mit lediglich niedrigen Leistungen wie im oben beschrieben Beispiel zu einem Sensor
Über die Treiberschaltung
Der Koppelkondensator C1 und die Primärspule L1 bilden einen Serienresonanzkreis mit einer Resonanz und einer Periodendauer T1. Die Dämpfungszeitkonstante t1 wird mit t1 = R1·C1 berechnet und die Komponenten so gewählt, dass die Dämpfungszeitkonstante t1 größer oder gleich 10% der Periodendauer T1 ist. Die Serienresonanz zwischen C1 und L1 ist damit so stark bedämpft, dass unerwünschte Oszillationen so stark unterdrückt werden, dass diese nicht zu einer Fehlfunktion der Schaltung führen können. Beispielsweise können L1 und C1 so dimensioniert werden, dass sich eine effektive Stromimpulsdauer von etwa 200 ns ergibt. In einer Ausgestaltung ist die Dämpfungszeitkonstante t1 kleiner als der Kehrwert der Übertragungsfrequenz der digitalen Signale.The coupling capacitor C1 and the primary coil L1 form a series resonant circuit having a resonance and a period T1. The damping time constant t1 is calculated with t1 = R1 * C1 and the components are chosen such that the damping time constant t1 is greater than or equal to 10% of the period T1. The series resonance between C1 and L1 is so heavily attenuated that unwanted oscillations are so strongly suppressed that they can not lead to a malfunction of the circuit. For example, L1 and C1 can be dimensioned to give an effective current pulse duration of about 200 ns. In one embodiment, the damping time constant t1 is less than the reciprocal of the transmission frequency of the digital signals.
Die Wandlung der digitalen Signale in Impulse ist in
So kann etwa das digitale Signal, gegebenenfalls verstärkt, auf einen ersten Kontakt L1.1 der Primärspule L1 und invertiert auf einen zweiten Kontakt L1.2 der Primärspule L1 geleitet werden. Durch diese Beschaltung ergibt sich gegenüber Beschaltung ohne invertierenden Verstärker eine doppelte Spannung an der Primärspule L1 und damit ein erhöhtes Signal auf der Sekundärseite.For example, the digital signal, possibly amplified, can be conducted to a first contact L1.1 of the primary coil L1 and inverted to a second contact L1.2 of the primary coil L1. As a result of this wiring, compared with wiring without an inverting amplifier, a double voltage is produced at the primary coil L1 and thus an increased signal on the secondary side.
Für die Auswertung der etwa 200 ns-Impulse benötigt man schnelle Auswerteschaltungen, z. B. einen Komparator mit einer Propagationszeit von < 100 ns und externer Beschaltung für einen Schmitt-Trigger, welcher die gewünschte Hysterese realisiert. Derart schnelle Analog-Komparatoren benötigen jedoch sehr hohe Betriebsströme, die in der Praxis im Budget von Zweileitergeräten nicht unter zu bringen sind.For the evaluation of about 200 ns pulses you need fast evaluation circuits, z. B. a comparator with a propagation time of <100 ns and external circuitry for a Schmitt trigger, which realizes the desired hysteresis. However, such fast analog comparators require very high operating currents, which in practice can not be accommodated in the budget of two-wire devices.
An Stelle von schnellen Analog-Komparatoren werden Digitalgatter
In einer Ausgestaltung wird der Schmitt-Trigger
Um die Ausgangssignale des Schmitt-Triggers
Es ist weiter eine Unterschaltung
Weiter sind am Eingang
Initial befinden sich somit sowohl die Signale
Diode D2 wirkt in entsprechender Weise zur Unterdrückung von Unterspannungen am Eingang
Über- und Unterspannungspegel sind insbesondere deswegen unerwünscht, da die Sekundärspule L2 zwischen den Anschlüssen L2.1 und L2.2 eine gewisse unvermeidliche Koppelkapazität aufweist, welche zusammen mit der Sekundärspule L2 einen Parallelschwingkreis mit einer Parallelresonanzfrequenz aufweisen. Liegt initial am Anschluss L2.1 ein Überspannungs- oder Unterspannungspegel an, wird sich zwischen den Anschlüssen L2.1 und L2.2 eine gedämpfte Schwingung mit etwa der Parallelresonanzfrequenz ausbilden. Der Vorteil des Hinzufügens des Widerstands
Der Vorteil der Dioden D1 und D2 besteht darin, dass die maximale Spannungsamplitude dieser unerwünschten Schwingungen auf die Vorwärtsspannung der Dioden begrenzt wird. Verwendet man z. B. Dioden mit einer Vorwärtsspannung von circa 0.4 V so ist damit sichergestellt, dass die Umschaltspannung des Schmitt-Triggers von circa VDD2/2 = 0.5 V durch die unerwünschten Parallelresonanzschwingungen nicht mehr überschritten werden kann.The advantage of the diodes D1 and D2 is that the maximum voltage amplitude of these unwanted oscillations is limited to the forward voltage of the diodes. If one uses z. As diodes with a forward voltage of about 0.4 V, this ensures that the switching voltage of the Schmitt trigger of about VDD2 / 2 = 0.5 V can not be exceeded by the unwanted parallel resonant vibrations.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Anordnungarrangement
- 22
- AbleitstrukturAbleitstruktur
- 2.12.1
- PrimärableitstrukturPrimärableitstruktur
- 2.22.2
- SekundärableitstrukturSekundärableitstruktur
- 33
- galvanisch trennende Schnittstellegalvanically isolating interface
- 44
- Treiberschaltungdriver circuit
- 55
- Empfangsschaltungreceiving circuit
- 66
- Impulswandlungpulse conversion
- 77
- Schmitt-TriggerSchmitt trigger
- 7.in7.in
-
Eingang zu
7 Entrance to7 - 7.out7.out
-
Ausgang zu
7 Exit to7 - 88th
- Pegelumsetzerlevel converter
- 8.in8.in
-
Eingang zu
8 Entrance to8th - 99
-
Unterschaltung von
5 Subcircuit of5 - 1010
- Dämpfungsgliedattenuator
- 2020
- Feldgerätfield device
- 2121
- Sensorsensor
- 2222
- Erste SchnittstelleFirst interface
- 2323
- Zweite SchnittstelleSecond interface
- 2424
- Kabelelectric wire
- dig.indig.in
- eingehende digitale Signaleincoming digital signals
- dig.outDIG.OUT
- ausgehende digitale Signaleoutgoing digital signals
- C1C1
- Kondensatorcapacitor
- L1L1
- Primärspuleprimary coil
- L1.1L1.1
- Erster Kontakt von L1First contact from L1
- L1.2L1.2
- Zweiter Kontakt von L1Second contact from L1
- L2L2
- Sekundärspulesecondary coil
- PCBPCB
- Leiterplattecircuit board
- PCB.bottomPCB.bottom
- Unterste Lage von PCBBottom layer of PCB
- PCB.inner.L1PCB.inner.L1
- Innere Lage von PCBInner location of PCB
- PCB.inner.L2PCB.inner.L2
- Innere Lage von PCBInner location of PCB
- PCB.inner.2PCB.inner.2
- Innere Lage von PCBInner location of PCB
- PCB.inner.2.1PCB.inner.2.1
- Innere Lage von PCBInner location of PCB
- PCB.inner.2.2PCB.inner.2.2
- Innere Lage von PCBInner location of PCB
- PCB.topPCB.top
- Oberste Lage auf PCBTop location on PCB
- R1R1
- Widerstandresistance
- VDD1VDD1
- Erste VersorgungsspannungFirst supply voltage
- VDD2VDD2
- Zweite VersorgungsspannungSecond supply voltage
Claims (17)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102013113598.6A DE102013113598A1 (en) | 2013-12-06 | 2013-12-06 | Arrangement for transmitting digital signals via a galvanically isolating interface and field device comprising such an arrangement |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102013113598.6A DE102013113598A1 (en) | 2013-12-06 | 2013-12-06 | Arrangement for transmitting digital signals via a galvanically isolating interface and field device comprising such an arrangement |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102013113598A1 true DE102013113598A1 (en) | 2015-06-11 |
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ID=53184969
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE102013113598.6A Withdrawn DE102013113598A1 (en) | 2013-12-06 | 2013-12-06 | Arrangement for transmitting digital signals via a galvanically isolating interface and field device comprising such an arrangement |
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DE (1) | DE102013113598A1 (en) |
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-
2013
- 2013-12-06 DE DE102013113598.6A patent/DE102013113598A1/en not_active Withdrawn
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