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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schnittstelle für eine bidirektionale Kommunikation mit einem elektronischen Betriebsgerät für mindestens ein Leuchtmittel und ein Vorschaltgerät mit einer solchen Schnittstelle.
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Aus der
DE 10 2009 016 904 B4 ist eine Schnittstelle für DALI-Steuersignale bekannt, die einen Sende- und einen Empfangskanal aufweist, welche beide mit einer gemeinsamen Stromquelle betrieben werden können. Die Schaltung nach dem Stand der Technik ist in
1 gezeigt.
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Sowohl für den Empfang von DALI-Signalen als auch für das Senden von DALI-Signalen sind in der bekannten Schaltung entsprechende Optokoppler U2, U1 vorgesehen, die jeweils Teils eines Zweigs zum Senden bzw. Empfangen bilden. Beide Zweige werden von der gemeinsamen Stromquelle Q2, Q3, R3, R4 gespeist. Die Schaltung weist weiter einen Energiespeicher auf, der in 1 als Kondensator C2 dargestellt ist.
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Die bekannte Schnittstelle ist für eine Kommunikation nach DALI-Standard entwarfen, bei dem bei einem inaktiven Bus eine vorgegebene Gleichspannung auf den Leitungen anliegt. Diese vorgegebene Gleichspannung wird jeweils nur im Fall einer Signalübermittlung herabgesetzt, während die konstante Gleichspannung wiederum anliegt, wenn keine Signale übermittelt werden.
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Durch die an dem Bus anliegende Gleichspannung wird nach dem Stand der Technik der Kondensator C2 geladen. Dies ist hier sinnvoll, da, wenn eine Signalübermittlung nach DALI-Standard stattfindet, eben die auf dem Bus anliegende Spannung auf (logisch) Null bzw. auf die Spannung abfällt, die für die Low-Level-Spannung definiert ist. Dies kann im Rückkanal (Sendezweig) der Schaltung unmittelbar erkannt werden.
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„Rückkanal” bezieht sich auf den Kanal weg von der Schnittstelle, als den Kanal für den Sendebetrieb der Schnittstelle. Der „Sendezweig” ist entsprechend der zum Senden von Signalen verwendete Signalpfad der Schnittstelle.
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Sollen jedoch statt DALI-Signalen Signale gemäss einem Protokoll von der Schnittstelle empfangen werden, bei denen im Ruhezustand des Bus die Spannung Null (oder sehr gering ist im Vergleich zum DALI-Standard) ist so stellt sich heraus, dass die bekannte Schnittstelle dafür nicht geeignet ist. Ein Beispiel für einen solchen Standard ist der sog. DSI-Standard.
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Grund hierfür ist, dass, im Gegensatz zu dem DALI-Standard, nach DSI-Standard bei einem inaktiven Bus keine Spannung bzw. eine geringe Spannung anliegt (der „Low Level”, also der niedrige Wert zur Übertragung eines ersten logischen Zustands, z. B. 0, ist auf < 6,5 Volt spezifiziert). Erst bei Übertragung eines DSI-Signals wird die Spannung auf dem Bus angehoben.
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Trifft folglich ein DSI-Signal an dem Anschluss für das Betriebsgerät, also sekundärseitig, der bekannten Schnittstelle ein, so steigt die Spannung sprunghaft von dem Wert, für den ersten logischen Zustand, z. B. < 6,5 Volt, auf eine vorgegebene Gleichspannung an, z. B. 10–15 Volt (High-Level, also der Spannungswert, der als zweiter logischer Wert interpretiert wird, z. B. 1). Es ist nun notwendig, dass das eingehende Signal sofort erkannt wird, um eine zuverlässige Erkennung des DSI-Signals zu gewährleisten. Bei DSI erfolgt die Übertragung manchesterkodiert, d. h. ein Daten-Bit wird durch einen Wechsel vom Low-Level zum High-Level (logisch 0) bzw. einen Wechsel vom High-Level zum Low-Level (logisch 1) übertragen.
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Der Kondensator C2 aus der bekannten Schaltung wirkt hierbei jedoch störend, da die abfallende Flanke (logisch 1) bzw. das erste Bit des DSI-Signals durch die bekannte Schnittstelle nicht zuverlässig erkannt werden kann.
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Dies liegt daran, dass der Kondensator C2 nach Annehmen des High-Levels (für ca. 833 μs), infolge der 2 mA Eingangsstromquelle teilgeladen ist. Bei einem Absinken der Busspannung auf unter 6,5 Volt wird der Kondensator C2 weiter geladen. Dies hat zur Folge, dass auch im Optokoppler U2 des Rückkanals (Empfangszweig) Strom fließt, und damit nicht sofort nach Unterschreiten von 6,5 Volt der erste logische Zustand (z. B. 1) am Optokoppler-Ausgang von Optokoppler U2 erkannt werden kann. Der Kondensator C2 ist nämlich selbst nach Unterschreitung des Low-Levels immer noch teilgeladen und überbrückt in nicht- oder teilgeladenem Zustand die Zenerdiode Z1, die den Stromfluss im Optokoppler U2 bei unterschreiten der Zenerspannung (Low Level) ansonsten sofort unterbricht.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schnittstelle bereit zu stellen, die im Sendebetrieb hinsichtlich der Flankensteilheit digitaler Signale verbessert ist.
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Die Erfindung löst dieses Problem durch das Bereitstellen einer Schnittstelle, wie sie mit Anspruch 1 beansprucht ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine digitale Bus-Schnittstelle für ein Betriebsgerät für ein Leuchtmittel wiest auf:
- – einen Sende- und einen Empfangszweig, wobei der Empfangszweig eine Stromquelle aufweist, die von einem im Ruhezustand Spannung führenden Bus aus speisbar ist, wobei die Stromquelle wenigstens den Sendezweig mit Energie versorgt und der Sendezweig einen Optokoppler aufweist,
wobei in dem Empfangszweig ein elektrischer Energiespeicher, bspw. ein oder mehrere Kondensatoren, vorgesehen ist, der durch die Stromquelle aufgeladen wird, und der sich über wenigstens einen Widerstand in Serie zu der Sekundärseite des Optokopplers des Sendezweigs entlädt.
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Der Widerstand kann zischen dem Energiespeicher und dem Optokoppler geschaltet sein.
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Der Energiespeicher und der Widerstand können derart dimensioniert sein, dass während der Sendezeitdauer eines digitalen Bits, während der ein anschliessbarer Bus kurzgeschlossen ist, ein Entladestrom fliesst.
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Die Flankenzeitdauer eines digitalen Bits, das einen anschliessbaren Bus kurzschliesst, kann weniger als 25 mS, vorzugsweise weniger als 15 μS betragen.
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Der Energiespeicher kann ohne Ladestrom-Regelelement oder über einen Ladestrom-Regeltransistor ausgehend von der Stromquelle geladen werden.
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Wesentliche Aspekte der Erfindung werden nunmehr mit Blick auf die Zeichnungen beschrieben.
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Dabei zeigen:
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1 eine Schnittstelle nach dem Stand der Technik.
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2 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung.
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3 eine erste erfindungsgemässe Ausführungsform.
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4 eine zweite erfindungsgemässe Ausführungsform.
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2 zeigt eine Schaltungsanordnung. Hierin bilden insbesondere ein Feldeffekttransistor (FET, JFET) J1 und ein Widerstand R7 eine Stromquelle J1, R7, welche einen Ladestrom vorgegebener Höhe an einem Energiespeicher, der im Folgenden beispielhaft als Kondensator C1 bezeichnet ist, zur Verfügung stellt.
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Dadurch wird einerseits sichergestellt, dass der Optokoppler Q5 letztlich von einem konstanten Strom (Eingangsstrom minus Ladestrom) durchflossen wird. Andererseits wird die Wirkung eines nichtlinearen Bauteils, insbesondere einer Zenerdiode D9, nicht durch den Kondensator C1 überbrückt. Im Folgenden wird daher stellvertretend für das nichtlineare Bauteil der Begriff „Zenerdiode” verwendet. Vorzugsweise ist die Aufteilung des Stromes so gewählt, dass der Ladestromstrom für den Kondensator geringer ist als der Strom durch den Optokoppler, vorzugsweise in einem Bereich von 30% bis 70% des Optokoppler-Stroms.
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Der Ladestrom für Kondensator C1 wird nun am Eingang des Optokopplers Q5 des Empfangszweigs abgegriffen (siehe Messpunkt I zwischen Diode D6 und Optokoppler Q5). Der Kondensator ist also Teil eines Pfads, der parallel zu einem Pfad geschaltet ist, der die Primärseite des Empfangs-Optokopplers aufweist.
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Durch Einsatz der beschriebenen Stromquelle J1, R7 ist sichergestellt, dass eine abfallende Flanke eines DSI-Signals, also insbesondere das erste Bit des DSI-Befehls (Start-Bit, logisch 1, kodiert mit abfallender Flanke), schnell und zuverlässig erkannt wird. Dadurch, dass der Kondensator C1 nach Anliegen des High-Levels nicht erst entladen wird, ist direkt zu detektieren, wenn die Spannung auf den Low-Level abfällt. Dennoch kann auch in der erfindungsgemäßen Schaltung für den Rückkanal und Vorwärtskanal (Empfangs-/Sendezweig) eine gemeinsame Stromquelle genutzt werden.
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Die Schnittstelle ist neben der Verwendung für den Signalempfang nach DSI-Standard ebenfalls für den Signalempfang nach DALI-Standard einsetzbar. Wesentlich ist, dass die erfindungsgemäße Anordnung insbesondere das sehr schnelle Detektieren eintreffender Signale ermöglicht, auch wenn der Ruhezustand der Busspannung nahe 0 Volt oder 0 Volt ist.
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Die in 2 gezeigte Schaltungsanordnung, ist so ausgestaltet, dass sie dem negativen Einfluss einer Stromquelle durch die Verwendung eines groß dimensionierten Kondensators (mit einer Kapazität von z. B. 1–6 μF) entgegenwirkt, der von der Stromquelle mit dem FET J1 und dem Widerstand R7 auf ca. 5,5 Volt oder mehr geladen wird. Dabei ist lediglich ein parasitärer Einfluss der Drain-Source-Kapazität des FETs J1 vorhanden, die sich jedoch durch eine geeignete Dimensionierung der am Gate liegenden Kapazität verringern lässt.
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2 zeigt dabei in schematischer Darstellung die Schnittstelle mit einem ersten primärseitigen Steueranschluss und einem zweiten primärseitigen Steueranschluss. Mit dem primärseitigen Steuereingang ist einerseits ein DALI-Steuergerät SDALI, andererseits ein Netztaster (nicht gezeigt) gekoppelt.
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Vorliegend ist seriell zum ersten primärseitigen Steueranschluss ein Widerstand R1 angeordnet. Zwischen dem Widerstand R1 und dem zweiten primärseitigen Steueranschluss ist ein Gleichrichter gekoppelt, der vier Dioden D1 bis D4 umfasst.
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Zwischen einen ersten und einen zweiten Gleichrichterausgangsanschluss ist ein Schalter M2 gekoppelt, insbesondere dessen Strecke Arbeitselektrode-Bezugselektrode. Mit dem Gleichrichterausgangsanschluss ist überdies eine Stromquelle gekoppelt, die zwei Bipolar-Transistoren Q1, Q2 sowie zwei ohmsche Widerstände R2, R3 umfasst. Mit dem Ausgang der Stromquelle ist ein erster Optokoppler Q3 gekoppelt, der in Serie zu einer Zenerdiode D9 gekoppelt ist. Parallel zu der Zenerdiode D9 ist eine Serienschaltung aus einer Diode D6, der Stromquelle J1, R7 bestehend aus FET J1 und Widerstand R7, und eine Kapazität C1 gekoppelt. Über die Stromquelle R7, J1 wird ein zweiter Optokoppler Q5 versorgt.
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Der Optokoppler Q3 im Sendezweig kann über einen Ausgang der Schnittstelle mit einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluss Signale übergeben, während der zweite Optokoppler Q5 im Empfangszweig über einen Signaleingang mit einem ersten und einem zweiten Signalanschluss zum Empfangen von Signalen vorgesehen ist.
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Der Ausgang des Optokopplers Q5 ist mit der Steuerelektrode des Schalters M2 verbunden, wobei auf dieser Strecke eine Diode D13 und ein Widerstand R9 in Serie geschaltet sind. Parallel zur Steuerelektrode des Schalters M2 ist eine Parallelschaltung eines Kondensators C3 und eines Widerstands R11 gekoppelt, die als Störfilter wirken. Zwischen dem Kondensator C3 und dem Widerstands R11 ist ein weiterer Bipolar-Transistor Q4 gekoppelt, dessen Basis mit der potentialhöheren Seite des Widerstands R11 gekoppelt ist.
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Durch Verwendung der Stromquelle J1, R7 zum Laden des Kondensators C1 (dieser entspricht im Wesentlichen dem Kondensator C2 der bekannten Schaltung) ist dann die volle Funktionalität auch bei der Übertragung von Signalen nach dem DSI-Standard gegeben, da ein Laden des Kondensators C1 bei abfallender Flanke nicht mehr erfolgt, aber auch nach DALI-Standard. Der Kondensator C1 ist folglich immer geladen, wodurch eine Überbrückung der Zenerdiode D9 durch einen nicht- oder teilgeladenen Zustand bei abfallender Flanke entfällt.
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Nach einem Einschalten der Netzspannung und damit einem Anliegen einer Gleichspannung auf einem vorbestimmten Level/Niveau nach DALI-Standard (DALIEin) wird der Kondensator C1 in rund 400 Millisekunden auf ca. 5,5 Volt oder mehr geladen, so dass sicher nach 600 Millisekunden (dies entspricht dem DALI-Standard) ab dem Einschaltzeitpunkt eine Antwort auf ein DALI-Signal gesendet werden kann.
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Der Ladestrom wird dabei von der Stromquelle bestehend aus FET J1 und Widerstand R7 auf beispielsweise 100 μA begrenzt. Dieser Wert kann jedoch abhängig von den verwendeten Komponenten auch höher oder niedriger sein.
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Hierdurch wird der Optokoppler Q5 immer mit einem definierten Strom angesteuert, wobei der Strom durch FET J1 so gewählt ist, dass im Falle einer Übertragung eines DSI-Signals ein Einfluss auf die Bit-Zeit, d. h. die Zeit, in der ein Bit vom Sender zum Empfänger gesendet werden kann, klein ist.
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Die gezeigten Schaltungen können wie folgt abgewandelt werden. Soll beispielsweise die Ansteuerspannung für den FET M2, also die Spannung an C1, erhöht werden, so kann ein Optokoppler Q3 mit einem Ansteuerstrom von ca. 1 Milliampere anstatt von z. B. 5 Milliampere (mA) verwendet werden. Dies kann z. B. ein Optokoppler vom Typ TLP621 oder TLP624 der Firma Toshiba sein.
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Durch die Verringerung des Optokoppler-Stroms auf 1 Milliampere kann mehr Strom (z. B. 600 Mikroampere) zum Laden der Kapazität C1 zugelassen werden, wodurch die Spannung an C1 schneller ihren Sollwert erreicht und damit zum Zeitpunkt des Sendens nach 600 Millisekunden auch einen noch höheren Wert erreicht hat. Weiter können die Dioden D6 und D13 durch Schottky-Dioden ersetzt werden, wodurch die Steuerspannung am Gate des Schalters M2, wenn notwendig, um ca. 0,5 Volt angehoben werden kann. Dies ermöglicht dann eine Verwendung eines kleiner dimensionierten FETs M2.
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Bezugnehmend auf 3 und 4 soll nunmehr eine erfindungsgemässe Schaltung in zwei Varianten erläutert werden.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Verbesserung hinsichtlich der Signalform und der Signalrepetition bei auszusendenden digitalen Bits im Sendezweig.
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Durch die in 3 und 4 dargestellte Schaltungen lassen sich verringerte Flankenseiten (somit steilere Flanken) erzielen. Beispielsweise können Flanken mit einer zeitlichen Dauer von weniger als 25 ms, bevorzugt sogar weniger als 15 ms erzielt werden. Diese Zeitdauern beziehen sich also für den Fall, dass ein im Ruhezustand potentialführender Bus verwendet wird (beispielsweise der DALI-Bus) auf die Zeitdauer bis die Flanke eines Sendebits das Buspotential auf das niedrigere Potential gezogen hat, bzw. die hintere Flanke eines Sendebits wiederum das Buspotential von dem niedrigen Potential auf das Ruhepotential ansteigen lässt.
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In 3 und 4 sind jeweils auf der linken Seite die beiden Klemmen zum Anschluss von zwei Busleitungen dargestellt, bspw. für einen DALI-Bus.
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Auf der rechten Seite ist jeweils ein mit ,DALIin' bezeichneter Optokoppler dargestellt. Auf dessen Primärseite U90 (linke Seite des Optokopplers in Figuren) werden mittels einer Stromquelle (die Darlington-Schaltung Q90, Q95) von dem Bus eingehende Signale gespeist, die also dann von dem Optokoppler potentialgetrennt übertragen werden. Auf der Sekundärseite des Optokopplers DALIin folgt dann die weitere Auswertung durch eine Steuerschaltung im Betriebsgerät für Leuchtmittel und die Ansteuerung der Leuchtmittel entsprechend der über den Bus empfangenen Information.
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Auf der Primärseite des weiteren (sendeseitigen) Optokopplers DALIout, U91, werden die von der Steuerschaltung des Betriebsgeräts für Leuchtmittel auszusendenden digitalen Signale angelegt und potentialgetrennt auf die Sekundärseite übertragen. Die Sekundärseite weist dann eine Schaltung auf, die selektiv den Bus kurzschliessen kann.
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Grundsätzlich erfolgt die Energieversorgung für den Bereich der Schaltung zwischen der Sekundärseite des Optokopplers U91 und dem Bus über die Busspannung und die geregelte Stromquelle Q90, Q95.
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Ein Problem tritt indessen dadurch auf, dass beim Senden eines digitalen Signals die vordere Flanke des digitalen Bits die Busspannung selektiv kurzschließt und somit auf ein niedriges Potential zieht. Dies wiederum bedeutet, dass somit die zuvor noch vorliegende Energieversorgung zum Speisen der Stromquelle Q90, Q95 entfällt. Die Energieversorgung kann also nur noch aus beispielsweise Kapazitäten in der Schnittstellenschaltung selbst erfolgen, was eine unkontrollierte Energieversorgung darstellt, was somit zu Problemen bei der genauen Einstellung des Flankenverlaufs führt, aber auch zu Rückkopplungseffekten, die wiederum zu Schwingungen (rimming) führen können. Um diese Rückkkopplungseffekte hinsichtlich ihrer störenden Auswirkung gering zu halten, müssen daher filternde Bauteile in der Schnittstellenschaltung aufgenommen werden, die wiederum das zeitliche Antwortverhalten verlangsamen. Nach alledem führt dies letztendlich zu einer Einschränkung hinsichtlich der einstellbaren Flankenverläufe und Bit-Repetitionsraten.
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Gemäß der Erfindung wie in 3 und 4 dargestellt ist daher vorgesehen, dass die aus Busspannung gespeiste Stromquelle Q90, Q95 einen elektrischen Energiespeicher, im dargestellten Beispiel den Kondensator C94 lädt. Vorzugsweise erfolgt dieses Laden ohne zwischen der Stromquelle Q90, Q95 und den Kondensator C94 vorliegenden Stromregler. Indessen kann der in den zuvor in den Ausführungsbeispielen dargestellte Transistor-Linearregler auch hier vorliegen.
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Von Bedeutung ist weiterhin, dass das Entladen des Kondensators C94 kontrolliert über einen Ohmschen Widerstand R100 erfolgt, der bspw. zwischen den Energiespeicher und den Optokoppler geschaltet ist.
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Dieses kontrollierte Entladen mittels eines konstanten Entladestroms wird also dann stattfinden, wenn die Stromquelle Q90, Q95 nicht nur ordnungsgemäß arbeiten kann, also bei Wegfall der Busspannung selektives Kurzschließen im zeitlichen Bereich des Sendebits. Der Kondensator C94 wird mit einem kontrollierten Strom über den Widerstand R100 entladen.
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Der Energiespeicher Kondensator C94 und der den Entladestrom definierende ohmsche Widerstand R100 sind dabei derart abgestimmt, dass der Energiespeicherkondensator C94 während der Sendezeitdauer, also während dem Kurzschließen der Busspannung noch nicht vollständig entladen ist und somit sicher während der gesamten Zeitdauer des Sendebits (Kurzschließen des Busses) ein konstanter Entladestrom durch den Widerstand R100 und die Sekundärseite des Optokopplers U91 fliesst. Da nun nicht gewartet werden muss, bis ausgehend vom Bus wieder erneut die Energieversorgung aufgebaut ist, sind steilere Flanken (Steilheit von steigender und fallender Flanke der Sendebits) möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009016904 B4 [0002]
