DE102014105812A1

DE102014105812A1 - Elektrizitätszähler oder Befestigungs- und Kontaktiereinheit für einen Elektrizitätszähler mit einer optischen Kommunikationsschnittstelle

Info

Publication number: DE102014105812A1
Application number: DE102014105812.7A
Authority: DE
Inventors: Holger Ernst
Original assignee: EMH Metering GmbH and Co KG
Current assignee: EMH Metering GmbH and Co KG
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-10-29
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: DE102014105812B4

Abstract

Elektrizitätszähler oder Befestigungs- und Kontaktiereinheit für einen Elektrizitätszähler mit einer optischen Kommunikationsschnittstelle zur Übertragung von Verbrauchsdaten, wobei die Kommunikationsschnittstelle in den Elektrizitätszähler bzw. in die Befestigungs- und Kontaktiereinheit integriert ist und eine Empfangssektion zur Umwandlung eines Lichtsignals in ein elektrisches Signal aufweist, gekennzeichnet durch • eine Photodiode, auf die das Lichtsignal auftrifft, • einen Verstärker, der einen mit der Photodiode verbundenen Eingang und einen Ausgang aufweist, an dem eine von der Beleuchtungsstärke der Photodiode abhängige Ausgangsspannung anliegt, die bei einer ersten Beleuchtungsstärke einen ersten Ausgangsspannungswert und bei einer zweiten Beleuchtungsstärke einen zweiten Ausgangsspannungswert hat, • eine Schwellwertermittlungsschaltung, die auf Grundlage der Ausgangsspannung einen zwischen dem ersten Ausgangsspannungswert und dem zweiten Ausgangsspannungswert liegenden Schwellwert ermittelt, und • eine Vergleichsschaltung, die die Ausgangsspannung mit dem Schwellwert vergleicht und ein digitales Ausgangssignal zur Verfügung stellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrizitätszähler mit einer optischen Kommunikationsschnittstelle zur Übertragung von Verbrauchsdaten sowie eine Befestigungs- und Kontaktiereinheit mit einer solchen optischen Kommunikationsschnittstelle für einen Elektrizitätszähler. Die Kommunikationsschnittstelle ist in den Elektrizitätszähler bzw. in die Befestigungs- und Kontaktiereinheit integriert und weist eine Empfangssektion zur Umwandlung eines Lichtsignals in ein elektrisches Signal auf.
Um von Elektrizitätszähler erfasste Verbrauchsdaten einfacher als durch manuelles Ablesen erfassen zu können, sind unterschiedliche Hilfsmittel bekannt geworden. Neben einer Funkübertragung der Verbrauchsdaten zählen hierzu auch optische Kommunikationsschnittstellen. Um die Verbrauchsdaten über eine solche Schnittstelle zu senden, weisen bekannte Elektrizitätszähler insbesondere an ihrer Rückseite einen Lichtleiter auf, über den ein Lichtsignal ausgesendet werden kann. Der Elektrizitätszähler ist mit einer Befestigungs- und Kontaktiereinheit verbunden, die ebenfalls einen Lichtleiter aufweist, der so angeordnet ist, dass er das von dem Elektrizitätszähler ausgesendete Lichtsignal aufnimmt.
Eine bekannte Befestigungs- und Kontaktiereinrichtung weist einen Fototransistor auf, auf den das Lichtsignal auftrifft. Der Fototransistor wandelt das Lichtsignal in ein elektrisches Signal um. Für eine Datenkommunikation in die Gegenrichtung ist die bekannte Befestigungs- und Kontaktiereinheit mit einer Leuchtdiode ausgerüstet und kann über einen weiteren Lichtleiter Lichtsignale aussenden. Diese werden von einem in den Elektrizitätszähler integrierten Fototransistor in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Elektrizitätszähler oder eine Befestigungs- und Kontaktiereinheit für einen Elektrizitätszähler mit einer optischen Kommunikationsschnittstelle zur Übertragung von Gebrauchsdaten zur Verfügung zu stellen, der bzw. die eine schnellere und zuverlässigere Datenübertragung ermöglicht und zugleich kostengünstig hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Elektrizitätszähler und die Befestigungs- und Kontaktiereinheit für einen Elektrizitätszähler mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den sich anschließenden Unteransprüchen angegeben.
Der Elektrizitätszähler bzw. die Befestigungs- und Kontaktiereinheit für einen Elektrizitätszähler hat eine optische Kommunikationsschnittstelle zur Übertragung von Verbrauchsdaten, wobei die Kommunikationsschnittstelle in den Elektrizitätszähler bzw. in die Befestigungs- und Kontaktiereinheit integriert ist und eine Empfangssektion zur Umwandlung eines Lichtsignals in ein elektrisches Signal aufweist. Der Elektrizitätszähler bzw. die Befestigungs- und Kontaktiereinheit für einen Elektrizitätszähler zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

• eine Photodiode, auf die das Lichtsignal auftrifft,
• einen Verstärker, der einen mit der Photodiode verbundenen Eingang und einen Ausgang aufweist, an dem eine von der Beleuchtungsstärke der Photodiode abhängige Ausgangsspannung anliegt, die bei der ersten Beleuchtungsstärke einen ersten Ausgangsspannungswert und bei der zweiten Beleuchtungsstärke einen zweiten Ausgangsspannungswert hat,
• eine Schwellwertermittlungsschaltung, die auf Grundlage der Ausgangsspannung einen zwischen dem ersten Ausgangsspannungswert und dem zweiten Ausgangsspannungswert liegenden Schwellwert ermittelt, und
• eine Vergleichsschaltung, die die Ausgangsspannung mit dem Schwellwert vergleicht und ein digitales Ausgangssignal zur Verfügung stellt.

Die Kommunikationsschnittstelle ist in den Elektrizitätszähler bzw. in die Befestigungs- und Kontaktiereinheit integriert. Insbesondere kann sie in ein Gehäuse des Elektrizitätszählers integriert sein, in dem sich zum Beispiel weitere Komponenten des Elektrizitätszählers befinden, etwa ein Messwerk, ein Messwandler und/oder eine Anzeigeeinheit. Handelt es sich um eine Befestigungs- und Kontaktiereinheit, kann die Kommunikationsschnittstelle insbesondere in einer hierfür geeigneten Aufnahme der Befestigungs- und Kontaktiereinheit angeordnet sein. Hierzu kann die Kommunikationsschnittstelle beispielsweise ein separates Gehäuse aufweisen, das in die Aufnahme einsetzbar ist und insbesondere darin einrastet.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Störanfälligkeit der bei dem herkömmlichen Elektrizitätszähler bzw. der herkömmlichen Befestigungs- und Kontaktiereinheit verwendeten optischen Kommunikationsschnittstelle sowie deren Beschränkungen hinsichtlich der Übertragungsgeschwindigkeit wesentlich durch die im Betrieb auftretenden, unterschiedlichen Beleuchtungsstärken bzw. Lichtsignalintensitäten zurückzuführen sind. Insbesondere sind zwischen einer das Lichtsignal aussendenden Leuchtdiode und einem das Lichtsignal aufnehmenden Fototransistor zwei Lichtleiter mit jeweils zwei von dem Lichtsignal zu passierenden Grenzflächen angeordnet. Verunreinigungen dieser Grenzflächen, Beschädigungen der Oberflächen oder eine nicht optimale Ausrichtung der einander zugewandten Lichtaustritts- bzw. Lichteintrittsflächen führen in der Praxis zu erheblichen Abweichungen der empfängerseitig auftreffenden Beleuchtungsstärken.
Die Erfindung begegnet diesen Widrigkeiten durch eine Reihe von Maßnahmen, die eine weitgehend fehlerfreie und schnellere Auswertung der empfängerseitig eintreffenden Lichtsignale ermöglichen.
Hierzu zählen zunächst das Verwenden einer Fotodiode anstelle des bekannten Fototransistors sowie das Aufbereiten des von der Fotodiode erzeugten elektrischen Signals mithilfe eines Verstärkers, der eine von der Beleuchtungsstärke der Fotodiode abhängige Ausgangsspannung zur Verfügung stellt. Insbesondere kann die Ausgangsspannung der Beleuchtungsstärke und/oder einem Fotostrom der Fotodiode proportional sein. Die am Ausgang des Verstärkers bereitgestellte Ausgangsspannung ermöglicht eine Auswertung eines sehr großen Beleuchtungsstärkebereichs. So reagiert der Verstärker bereits auf sehr geringe Beleuchtungsstärken und stellt auch bei sehr großen Beleuchtungsstärken noch ein aussagekräftiges Ausgangssignal zur Verfügung. Insbesondere wird vermieden, dass der Verstärker bei großen Beleuchtungsstärken in die Sättigung gelangt. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei einem Lichtsignal, das zwischen einer ersten und einer zweiten Beleuchtungsstärke schwankt, am Ausgang des Verstärkers voneinander unterscheidbare, erste und zweite Ausgangsspannungswerte anliegen.
Der von der Schwellwertermittlungsschaltung ermittelte Schwellwert wird von der Vergleichsschaltung mit der aktuellen Ausgangsspannung am Ausgang des Verstärkers verglichen. Liegt die Ausgangsspannung oberhalb des Schwellwerts, erhält das von ihr zur Verfügung gestellte digitale Ausgangssignal seinen ersten Ausgangspegel (zum Beispiel „low“). Liegt die aktuelle Ausgangsspannung unterhalb des Schwellwerts, erhält das digitale Ausgangssignal seinen zweiten Pegel (zum Beispiel „high“).
Die Erfindung geht von einem Lichtsignal aus, das im Wesentlichen zwischen zwei Beleuchtungsstärken wechselt, entsprechend „Licht an“ und „Licht aus“. Durch die Ermittlung eines Schwellwerts, der zwischen diesen beiden Beleuchtungsstärken zugeordneten Ausgangsspannungswerten liegt, kann auch bei einer verrauschten oder driftenden Ausgangsspannung mit sehr großer Sicherheit festgestellt werden, ob die aktuelle Ausgangsspannung dem „Licht an“- oder „Licht aus“-Zustand entspricht. Der Schwellwert wird auf Grundlage der Ausgangsspannung ermittelt. Insbesondere kann dabei ein Verlauf der Ausgangsspannung während des Auftreffens eines Lichtsignals berücksichtigt werden. Der ermittelte Schwellwert kann sich an die tatsächlich auf die Fotodiode auftreffenden Beleuchtungsstärken anpassen. Auch langsame Veränderungen der Beleuchtungsstärken, zum Beispiel hervorgerufen durch Verschmutzungen im Bereich der Lichtleiter, können dadurch berücksichtigt werden.
In einer Ausgestaltung weist die Schwellwertermittlungsschaltung zwei Stabilisierungsschaltungen auf, die dazu ausgebildet sind, bei wechselnder Beleuchtungsstärke jeweils ein Spannungsniveau zu stabilisieren, das einen der beiden Ausgangsspannungswerte repräsentiert. Mit wechselnder Beleuchtungsstärke ist insbesondere der Empfang eines Lichtsignals gemeint, das zwischen zwei Beleuchtungsstärken wechselt, entsprechend „Licht an“ und „Licht aus“. Bei typischen Lichtsignalen sind die beiden Beleuchtungsstärken nur für jeweils sehr kurze Zeiten gegeben, sodass die Ausgangsspannung am Verstärkerausgang entsprechend schnell veränderlich ist. Die Stabilisierungsschaltungen dienen dazu, die beiden Ausgangsspannungswerte bzw. ggf. davon abweichende Spannungsniveaus, die diese Ausgangsspannungswerte repräsentieren, für längere Zeiträume verfügbar zu machen, sodass stets ein geeigneter Schwellwert ermittelt werden kann. Die Stabilisierung beider Spannungsniveaus ist insbesondere dann hilfreich, wenn die beiden Ausgangsspannungswerte für unterschiedlich lange Zeiten an dem Ausgang anliegen, etwa bei längeren inaktiven Perioden oder bei deutlich von 50% abweichenden Tastverhältnissen der Beleuchtungsstärke. In diesem Fall kann ein geeigneter Schwellwert nicht ohne Weiteres von einem zeitlichen Mittelwert der Ausgangsspannung abgeleitet werden.
In einer Ausgestaltung weist eine der Stabilisierungsschaltungen eine Diode und ein RC-Glied auf, dessen Zeitkonstante kürzer ist als eine Taktperiode des umzuwandelnden Lichtsignals. Die Stabilisierungsschaltung kann mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden sein. Abhängig von der aktuellen Ausgangsspannung kann dann der Kondensator des RC-Glieds über die Diode aufgeladen bzw. entladen werden. Wegen der kurzen Zeitkonstante des RC-Glieds verläuft dieser Auflade- bzw. Entladevorgang so schnell, dass sich am Kondensator bereits innerhalb weniger Taktperioden, bevorzugt im Wesentlichen innerhalb einer Taktperiode, das zu stabilisierende Spannungsniveau einstellt. Diode, Widerstand und Kondensator können insbesondere in Reihe geschaltet sein. Wird die Zeitkonstante hinreichend kurz gewählt, beispielsweise im Bereich von 0,5 µs bis 1,5 µs, kann mit sehr hohen Taktfrequenzen im Bereich von 1 MHz gearbeitet werden, sodass eine Signalübertragung beispielsweise mit 900 kBaud möglich ist. Durch die sehr schnelle Stabilisierung der Spannungsniveaus kann der für die weitere Signalauswertung erforderliche Schwellwert im Idealfall so schnell ermittelt werden, dass bereits das erste Bit des Lichtsignals korrekt ausgewertet werden kann.
In einer Ausgestaltung weist eine der Stabilisierungsschaltungen einen Spannungsteiler auf, der aus einer Betriebsspannung einen Maximal- bzw. Minimalwert für das zu stabilisierende Spannungsniveau festlegt. Insbesondere kann der Knotenpunkt des Spannungsteilers mit dem Kondensator des RC-Glieds verbunden sein, sodass, wenn kein Auflade- bzw. Entladevorgang über die Diode erfolgt, am Kondensator langsam das von dem Spannungsteil vorgegebene Spannungsniveau hergestellt wird.
Dies sorgt auch bei längerer Abwesenheit eines Lichtsignals für einen definierten Zustand der Stabilisierungsschaltungen.
In einer Ausgestaltung ermittelt die Schwellwertermittlungsschaltung den Schwellwert durch Bildung eines Mittelwerts der beiden Spannungsniveaus. Die beiden Spannungsniveaus können mit gleicher oder unterschiedlicher Gewichtung in die Mittelwertbildung einfließen. Die Mittelwertbildung kann insbesondere mithilfe von zwei in der Reihe geschalteten Widerständen ausgeführt werden, deren „freie Enden“ jeweils an eines der beiden Spannungsniveaus angeschlossen sind. Am Knotenpunkt der beiden Widerstände steht dann der Mittelwert zur Verfügung. Auf diese Weise kann ein tauglicher Schwellwert besonders einfach ermittelt werden.
In einer Ausgestaltung wird die Fotodiode in Sperrrichtung betrieben. Dies ermöglicht eine hohe Bandbreite und eine gute Linearität.
In einer Ausgestaltung ist der Verstärker ein als Transimpedanzverstärker beschalteter Operationsverstärker. Der Verstärker wandelt dann den von der Fotodiode erzeugten Fotostrom in eine zu dem Strom proportionale Ausgangsspannung um. Dies ermöglicht eine hohe Empfindlichkeit der Schaltung und eine einfache Weiterverarbeitung des Ausgangssignals.
In einer Ausgestaltung weist der Transimpedanzverstärker zwei parallel geschaltete Rückkopplungsglieder auf, wobei eines der Rückkopplungsglieder mindestens eine Diode aufweist. Das Rückkopplungsglied mit der Diode ist so gepolt, dass es bei Überschreiten einer Durchlassspannung der Diode im Rückkopplungszweig wirksam wird. Dies führt zu einer Begrenzung der Verstärkung des Transimpedanzverstärkers, sodass verhindert wird, dass insbesondere bei sehr hohen Beleuchtungsstärken der Transimpedanzverstärker in die Sättigung getrieben wird. Dies stellt ein schnelles Ansprechen der Schaltung auf wechselnde Beleuchtungsstärken sicher.
In einer Ausgestaltung ist eine Unempfindlichkeitsschaltung vorhanden, die das Ausgangssignal um ein vorgegebenes Maß anhebt oder absenkt, damit die Vergleichsschaltung nur auf Lichtsignale oberhalb einer vorgegebenen Mindestbeleuchtungsstärke anspricht. Im einfachsten Fall kann die Unempfindlichkeitsschaltung mit einem Widerstand realisiert werden, über den eine Versorgungsspannung an den Eingang der Vergleichsschaltung, an dem die Ausgangsspannung des Verstärkers anliegt, angelegt wird. Dies bewirkt ein Anheben der Spannung, die von der Vergleichsschaltung mit dem Schwellwert verglichen wird. Um die Ausgangsspannung abzusenken, kann der genannte Widerstand entsprechend mit Masse verbunden werden. Die Unempfindlichkeitsschaltung macht die Schaltung unempfindlich gegenüber einem Grundrauschen, einem Dunkelstrom der Fotodiode oder einem Übersprechen, insbesondere zwischen einer für das Senden von Lichtsignalen vorgesehenen Leuchtdiode und der Fotodiode.
In einer Ausgestaltung ist eine Schwellwertspeichereinrichtung vorhanden, die dazu ausgebildet ist, einen von der Schwellwertermittlungsschaltung ermittelten Schwellwert zu speichern und der Vergleichsschaltung zur Verfügung zu stellen. Auf diese Weise kann wahlweise nicht mit einem aktuell von der Schwellwertermittlungsschaltung ermittelten Schwellwert, sondern mit einem zu einem früheren Zeitpunkt ermittelten Schwellwert, der in der Schwellwertspeichereinrichtung gespeichert ist, gearbeitet werden. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn nach einer längeren Pause ein Lichtsignal eintrifft und zuverlässig ausgewertet werden muss, bevor ein neuer Schwellwert ermittelt werden kann. In diesem Fall kann der Vergleichsschaltung der gespeicherte Schwellwert zur Verfügung gestellt werden. Sobald ein neuer Schwellwert ermittelt werden konnte, kann dieser mit dem gespeicherten Schwellwert vergleichen werden. Es kann dann der gespeicherte Schwellwert angepasst oder der neu ermittelte Schwellwert der Vergleichsschaltung zur Verfügung gestellt werden.
In einer Ausgestaltung weist die Schwellwertspeichereinrichtung einen Mikroprozessor, einen A/D-Wandler und einen D/A-Wandler auf. In dieser Ausgestaltung kann der Mikroprozessor das Zur-Verfügung-Stellen des gespeicherten Schwellwerts steuern. Mithilfe des A/D-Wandlers kann ein von der Schwellwertermittlungsschaltung ermittelter Schwellwert eingelesen und weiterverarbeitet werden. Ein in dem Mikroprozessor in digitaler Form gespeicherter Schwellwert kann von dem D/A-Wandler ausgegeben und der Vergleichsschaltung zur Verfügung gestellt werden.
In einer Ausgestaltung ist eine Schnittstellenschaltung vorhanden, die mit der Vergleichsschaltung verbunden ist, um das digitale Ausgangssignal in ein differentielles Signal zur Kommunikation über einen Datenbus umzuwandeln, und die dazu ausgebildet ist, ein über den Datenbus empfangenes Signal in ein Lichtsignal umzuwandeln. Mit anderen Worten ermöglicht die Schnittstellenschaltung eine bidirektionale Kommunikation über einen Datenbus. Insbesondere kann es sich um eine Schnittstelle gemäß dem Standard RS485 bzw. EA485 handeln, also um eine differentielle, symmetrische und serielle Schnittstelle. Es ist dann möglich, eine Vielzahl von Elektrizitätszählern bzw. Befestigungs- und Kontaktiereinheiten über den Datenbus miteinander zu vernetzen.
In einer Ausgestaltung ist eine Kommunikationsrichtungswahlschaltung vorhanden, die dazu ausgebildet ist, eine Kommunikationsrichtung der Schnittstellenschaltung zu steuern, wobei die Kommunikationsrichtungswahlschaltung nur dann eine Umwandlung von über den Datenbus empfangenen Signalen veranlasst, wenn von der Fotodiode keine Lichtsignale empfangen werden. Werden von der Fotodiode Lichtsignale empfangen, sieht die Kommunikationsrichtungswahlschaltung also vor, die digitalen Ausgangssignale im Sendebetrieb über den Datenbus zu senden. Diese Kommunikationsrichtung ist daher priorisiert.
In einer Ausgestaltung ist die Kommunikationsrichtungswahlschaltung und/oder die Schnittstellenschaltung dazu ausgebildet, die Unempfindlichkeitsschaltung so anzusteuern, dass die für ein Ansprechen der Vergleichsschaltung erforderliche Mindestbeleuchtungsstärke größer ist, wenn die Kommunikationsrichtungswahlschaltung eine Umwandlung von über den Datenbus empfangenen Signalen vorgibt, als wenn die Kommunikationsrichtungswahlschaltung eine Umwandlung des digitalen Ausgangssignals vorgibt. Es wird also verhindert, dass im „Empfangsmodus“, in dem über den Datenbus empfangene Signale in Lichtsignale umgewandelt werden, die Kommunikationsrichtung gewechselt wird. Dies könnte anderenfalls leicht unbeabsichtigt geschehen, insbesondere wenn es zu einem Übersprechen zwischen der die umgewandelten elektrischen Signale aussendenden Leuchtdiode und der Fotodiode kommt.
In einer Ausgestaltung richtet sich die Erfindung auf ein System mit mehreren Elektrizitätszählern nach einem der Ansprüche 1 bis 11, denen jeweils eine Befestigungs- und Kontaktiereinheit nach einem der Ansprüche 12 bis 14 zugeordnet ist, wobei die Befestigungs- und Kontaktiereinheiten über einen Datenbus mit einer zentralen Kommunikationseinrichtung verbunden sind. Die zentrale Kommunikationseinrichtung kann insbesondere ein Busmaster sein, der mit einem Betreiber der Elektrizitätszähler kommuniziert, insbesondere über das Internet oder ein sonstiges Wide-Area-Network (WAN). Auf diese Weise ist es einfach möglich, mit einer einzigen zentralen Kommunikationseinrichtung eine Vielzahl von Elektrizitätszählern auszulesen bzw. Daten an diese zu übertragen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Elektrizitätszähler mit einem Schaltplan einer Kommunikationsschnittstelle,
2 einen Ausschnitt einer Befestigungs- und Kontaktiereinheit mit einem Schaltplan einer Kommunikationsschnittstelle und einem Datenbus,
3 ein System mit drei Elektrizitätszählern und drei Befestigungs- und Kontaktiereinheiten mit einer zentralen Kommunikationseinrichtung.
1 zeigt einen Schaltplan einer Kommunikationsschnittstelle eines erfindungsgemäßen Elektrizitätszählers 10. Dieser weist einen Lichtleiter 70 auf, der das von einer Leuchtdiode LED S einer nur schematisch angedeuteten Befestigungs- und Kontaktiereinheit 30 über einen Lichtleiter 60 zur Verfügung gestellte Lichtsignal auf die Fotodiode PHD2 leitet. Die Schaltung des Elektrizitätszählers 10 gliedert sich im Übrigen im Wesentlichen in einen Verstärker 80, eine Schwellwertermittlungsschaltung 82 und eine Vergleichsschaltung 84.
Die Fotodiode PHD2 ist in Sperrrichtung betrieben: Die Kathode ist an die Versorgungsspannung angeschlossen, die Anode liegt an einem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers IC5A, der als Transimpedanzverstärker beschaltet ist.
Hierzu ist der nicht invertierende Eingang 3 des Operationsverstärkers IC5A über einen aus den beiden Widerständen R55 und R56 gebildeten Spannungsteiler auf ein definiertes Spannungsniveau gelegt. Der Ausgang 1 des Operationsverstärkers IC5A ist über zwei Rückkopplungsglieder an den invertierenden Eingang 4 zurückgeführt.
Das erste Rückkopplungsglied besteht im Wesentlichen aus dem Widerstand R53, der für den Verstärkungsfaktor bei moderaten Beleuchtungsstärken maßgeblich ist, und einem diesem parallel geschalteten Kondensator C60. Das zweite Rückkopplungsglied besteht aus einer Reihenschaltung des Widerstands R28 und der beiden Dioden D54 und DN1A. Bei großen Beleuchtungsstärken der Fotodiode PHD2 und entsprechend großem Fotostrom fällt am Widerstand R53 eine so große Spannung ab, dass die Durchlassspannung der beiden Dioden D54, DN1A überschritten wird und dadurch der Verstärkungsfaktor reduziert wird.
Am Ausgang 1 des Operationsverstärkers IC5A liegt eine Ausgangsspannung an, die von der Beleuchtungsstärke der Fotodiode PHD2 abhängig ist. Solange die beschriebene Reduktion des Verstärkungsfaktors durch das zweite Rückkopplungsglied nicht wirksam ist, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung und der Beleuchtungsstärke. Bei einem Lichtsignal, das zwischen einer ersten Beleuchtungsstärke und einer zweiten Beleuchtungsstärke schwankt, stellt sich am Ausgang 1 des Operationsverstärkers IC5A ein erster Ausgangsspannungswert bzw. ein zweiter Ausgangsspannungswert ein.
Die Schwellwertermittlungsschaltung 82 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 80 verbunden und stellt am Punkt T208 den von ihr ermittelten Schwellwert zur Verfügung. Hierzu weist die Schwellwertermittlungsschaltung 82 zwei Spannungsstabilisierungsschaltungen auf. Die erste Spannungsstabilisierungsschaltung weist eine Diode DN1C und ein RC-Glied aus Widerstand R57 und Kondensator C63 auf. Diese drei Bauelemente sind in Reihe geschaltet. Der mit der Kathode der Diode DN1C verbundene Anschluss des Kondensators C63 (Punkt T206) ist mit dem Knotenpunkt eines aus den beiden Widerständen R59 und R61 gebildeten Spannungsteilers verbunden. Liegt die Ausgangsspannung des Verstärkers 80 unterhalb des von dem Spannungsteiler aus den Widerständen R59, R61 vorgegebenen Spannungsniveaus, stellt sich am Kondensator C63 die von diesem Spannungsteiler vorgegebene Spannung ein. Übersteigt die Ausgangsspannung des Verstärkers 80 diese Spannung um mehr als die Durchlassspannung der Diode DN1C, wird der Kondensator C63 über den Widerstand R57 aufgeladen.
Bei wechselnder Beleuchtungsstärke an der Fotodiode PHD2 stellt sich am Ausgang des Verstärkers 80 zumindest zeitweise ein erster Ausgangsspannungswert ein, der oberhalb des von dem Spannungsteiler aus den Widerständen R59, R61 vorgegebenen Spannungsniveaus liegt. Dieser wird durch den erläuterten Aufladevorgang des Kondensators C63 am Punkt T206 durch ein sich dort einstellendes, stabilisiertes Spannungsniveau repräsentiert. Dieses Spannungsniveau liegt im Wesentlichen um die Durchlassspannung der Diode DN1C unterhalb des ersten Ausgangsspannungswerts.
Eine zweite Stabilisierungsschaltung ist von der Diode DN1B sowie dem RC-Glied aus dem Widerstand R57 und dem Kondensator C64 gebildet. Für diese Stabilisierungsschaltung wird also derselbe Widerstand R57 verwendet, wie für die bereits erläuterte Stabilisierungsschaltung. Die Diode DN1B ist andersherum geschaltet als die Diode DN1C, das heißt ihre Anode ist mit dem nicht an Masse liegenden Kontakt des Kondensators C64 verbunden. Ebenfalls mit diesem in der Schaltung mit T207 bezeichneten Punkt verbunden ist der Knotenpunkt eines aus den Widerständen R60 und R62 gebildeten Spannungsteilers. Die von diesem Spannungsteiler vorgegebene Spannung stellt sich am Kondensator C64 ein, sofern der Kondensator C64 nicht über die Diode DN1B entladen wird. Zu einem solchen Entladevorgang kommt es, sobald die Spannung am Ausgang des Verstärkers 80 um mehr als die Durchlassspannung der Diode DN1B unterhalb des von dem Spannungsteiler aus den Widerständen R60, R62 vorgegebenen Spannungsniveaus liegt. Dies führt dazu, dass bei wechselnder Beleuchtungsstärke der Fotodiode PHD2 und einem sich infolgedessen am Ausgang des Verstärkers 80 einstellenden zweiten Ausgangsspannungswerts an dem Punkt T207 ein Spannungsniveau stabilisiert, das im Wesentlichen um die Durchlassspannung der Diode DN1B höher ist als der zweite Ausgangsspannungswert. Dieses stabilisierte Spannungsniveau repräsentiert den zweiten Ausgangsspannungswert.
Die Schwellwertermittlungsschaltung 82 ermittelt dann einen Mittelwert aus den beiden an den Punkten T206 bzw. T207 stabilisierten Spannungsniveaus mithilfe des aus den beiden Widerständen R63, R64 gebildeten Spannungsteilers. Der so ermittelte Schwellwert steht dann an dem Punkt T208 zur Verfügung.
Die Zeitkonstanten der aus dem Widerstand R57 und dem Kondensator C63 bzw. aus dem Widerstand R57 und dem Kondensator C64 gebildeten RC-Glieder sind so gewählt, dass sie kürzer sind als die Taktperiode eines umzuwandelnden Lichtsignals. Dadurch erfolgt die Stabilisierung der beiden Spannungsniveaus auf die erläuterte Weise in sehr kurzer Zeit.
Die Vergleichsschaltung 84 weist einen Operationsverstärker IC6A auf, an dessen invertierendem Eingang 4 der von der Schwellwertermittlungsschaltung 82 ermittelte Schwellwert anliegt. Der nicht invertierende Eingang 3 des Operationsverstärkers IC6A ist über den Widerstand R58 mit dem Ausgang des Verstärkers 80 verbunden. Eine Rückkopplung vom Ausgang 1 des Operationsverstärkers IC6A erfolgt über den Widerstand R66 zum nicht invertierenden Eingang 3. Außerdem ist der nicht invertierende Eingang 3 über einen Widerstand R65 mit einer Versorgungsspannung verbunden, um die Ausgangsspannung vor dem Vergleich mit dem ermittelten Schwellwert durch den Operationsverstärker IC6A geringfügig anzuheben. Am Ausgang 1 des Operationsverstärkers IC6A ist dann ein digitales Ausgangssignal verfügbar. Das digitale Ausgangssignal liegt an einem Eingang 120 eines UART-Bausteins 140 an, der in einen Mikroprozessor 150 integriert ist.
Weiterhin umfasst der Elektrizitätszähler 10 einen Ausgang 130 des UART-Bausteins 140, der über einen Widerstand 67 mit einer Leuchtdiode LED2 verbunden ist, um elektrische Signale in Lichtsignale umzuwandeln und zur Befestigungs- und Kontaktiereinheit 30 zu senden.
Ebenfalls in den Mikroprozessor 150 integriert sind ein A/D-Wandler 100 und ein D/A-Wandler 110. Die beiden Wandler 100, 110 werden von dem Mikroprozessor 150 gesteuert und realisieren wie folgt eine Schwellwertspeichereinrichtung: Ein von der Schwellwertermittlungsschaltung 82 zur Verfügung gestellter Schwellwert wird von dem A/D-Wandler 100 eingelesen und im Mikroprozessor 150 gespeichert. Zu einem späteren Zeitpunkt kann dieser gespeicherte Schwellwert von dem D/A-Wandler 110 wieder zur Verfügung gestellt werden, und zwar über den Widerstand R29 am invertierenden Eingang 4 des Operationsverstärkers IC6A, wo er für den Vergleich mit der aktuellen Ausgangsspannung herangezogen wird.
2 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel einen Schaltplan einer Kommunikationsschnittstelle einer Befestigungs- und Kontaktiereinheit 30, die in Teilen mit der Kommunikationsschnittstelle des Elektrizitätszählers 10 der 1 übereinstimmt. Der Lichtleiter, mit dem das Licht auf die Fotodiode PHD2 geleitet wird, ist nicht dargestellt. Der Verstärker 80 entspricht im Wesentlichen demjenigen der 1, lediglich im zweiten Rückkopplungsglied befindet sich nunmehr eine Reihenschaltung aus drei Dioden DN1A, DN1B und DN1C mit einem Widerstand R4. Die Schwellwertermittlungsschaltung 82 unterscheidet sich nicht von derjenigen der 1. Die Vergleichsschaltung 84 entspricht von der Funktion her ebenfalls derjenigen der 1, wobei der Operationsverstärker hier mit IC2A bezeichnet ist.
Am Ausgang 1 des Operationsverstärkers IC2A steht das digitale Ausgangssignal zur Verfügung. Es gelangt zu einer Schnittstellenschaltung IC3, die die Logikpegel in differentielle, elektrische Pegel gemäß RS-485-Spezifikation umsetzt und an den beiden Ausgängen 6, 7 zur Verfügung stellt, die mit einem Datenbus 40 verbunden sind.
Außerdem zeigt die 2 eine Kommunikationsrichtungswahlschaltung 86, deren Ausgang mit dem Eingang 3 der Schnittstellenschaltung IC3 verbunden ist. Über den Spannungspegel an diesem Eingang kann die Kommunikationsrichtung der Schnittstellenschaltung IC3 vorgegeben werden.
Wenn keine Daten über die Fotodiode PHD2 empfangen werden, liegt der Ausgang der Vergleichsschaltung 84 dauerhaft auf „high“. Dieser Spannungspegel wird über den Widerstand R18 auf die Basis des Transistors TN1 gegeben, der infolgedessen sperrt, ebenso wie die beiden weiteren Transistoren TN2A und TN2B.
Der Signalpegel am Eingang 3 der Schnittstellenschaltung IC3 liegt deshalb auf Masse, wodurch die Schnittstellenschaltung IC3 zum Empfangen von elektrischen Signalen über den Datenbus 40 eingerichtet wird sowie zur Umwandlung dieser Signale in Lichtsignale mithilfe der Fotodiode LED2, die über einen Ausgang 1 der Schnittstellenschaltung IC3 angesteuert wird.
In diesem Fall kommt eine weitere Besonderheit der Schaltung der 2 zum Tragen, nämlich eine gegenüber der 1 verbesserte Unempfindlichkeitsschaltung. Das der Leuchtdiode LED2 zur Verfügung gestellte Ausgangssignal wird nämlich über den Widerstand RX und die Diode DN2A an den Ausgang der Schwellwertermittlungsschaltung 82 angelegt, sodass der Schwellwert am Eingang 4 des Operationsverstärkers IC2A der Vergleichsschaltung 84 immer dann abgesenkt wird, wenn über die Leuchtdiode LED2 ein Lichtsignal ausgesendet wird. Dies verhindert wirksam ein Ansprechen der Empfangssektion durch Übersprechen von Lichtsignalen der LED2 auf die Fotodiode PHD2.
Sobald von der Fotodiode PHD2 Lichtsignale empfangen werden, stellt sich am Ausgang der Vergleichsschaltung 84 ein niedriger Signalpegel ein, der auf die Kommunikationsrichtungswahlschaltung 86 einwirkt und zum Durchschalten der Transistoren TN1, TN2A und TN2B führt. Infolgedessen liegt am Eingang 3 der Schnittstellenschaltung IC3 ein hoher Signalpegel an, was die Schnittstellenschaltung IC3 für den Sendebetrieb von Daten auf den Datenbus 40 einrichtet. Das Aufladen des Kondensators C7 innerhalb der Kommunikationsrichtungswahlschaltung 86 führt außerdem dazu, dass der Sendebetrieb auch bei wechselndem Signalpegel am Ausgang der Vergleichsschaltung 84 aufrechterhalten wird. Die Schnittstellenschaltung IC3 wird also immer dann zum Senden eines elektrischen Signals eingerichtet, wenn an der Fotodiode PHD2 ein Lichtsignal ansteht, unabhängig davon, ob zugleich über den Datenbus 40 ein elektrisches Signal empfangen wird.
3 zeigt ein typisches Anwendungsbeispiel, bei dem drei Elektrizitätszähler 10 über ihre jeweiligen optischen Schnittstellen mit drei Befestigungs- und Kontaktiereinheiten 30 kommunizieren. Jeder der Elektrizitätszähler 10 weist eine optische Kommunikationsschnittstelle 21 und einen Lichtleiter 70 auf. Jede der Befestigungs- und Kontaktiereinheiten 30 weist einen Lichtleiter 60 und eine damit verbundene, optische Kommunikationsschnittstelle 31 auf. Die drei Schnittstellen 31 sind an einen Datenbus 40 angeschlossen, der mit einer zentralen Kommunikationseinrichtung 50 verbunden ist. Die zentrale Kommunikationseinrichtung 50 ist mit dem Internet 51 verbunden, sodass beispielsweise ein Versorgungsunternehmen, das die Elektrizitätszähler 10 betreibt, Verbrauchsdaten über die zentrale Kommunikationseinrichtung 50 und den Datenbus 40 von allen gezeigten Elektrizitätszählern 10 abrufen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Standard RS485 bzw. EA485 [0024]

Claims

Elektrizitätszähler (10) oder Befestigungs- und Kontaktiereinheit (30) für einen Elektrizitätszähler mit einer optischen Kommunikationsschnittstelle (21, 31) zur Übertragung von Verbrauchsdaten, wobei die Kommunikationsschnittstelle (21, 31) in den Elektrizitätszähler (10) bzw. in die Befestigungs- und Kontaktiereinheit (30) integriert ist und eine Empfangssektion zur Umwandlung eines Lichtsignals in ein elektrisches Signal aufweist, gekennzeichnet durch • eine Photodiode (PHD2), auf die das Lichtsignal auftrifft, • einen Verstärker (80), der einen mit der Photodiode (PHD2) verbundenen Eingang und einen Ausgang aufweist, an dem eine von der Beleuchtungsstärke der Photodiode (PHD2) abhängige Ausgangsspannung anliegt, die bei einer ersten Beleuchtungsstärke einen ersten Ausgangsspannungswert und bei einer zweiten Beleuchtungsstärke einen zweiten Ausgangsspannungswert hat, • eine Schwellwertermittlungsschaltung (82), die auf Grundlage der Ausgangsspannung einen zwischen dem ersten Ausgangsspannungswert und dem zweiten Ausgangsspannungswert liegenden Schwellwert ermittelt, und • eine Vergleichsschaltung (84), die die Ausgangsspannung mit dem Schwellwert vergleicht und ein digitales Ausgangssignal zur Verfügung stellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellwertermittlungsschaltung (82) zwei Stabilisierungsschaltungen aufweist, die dazu ausgebildet sind, bei wechselnder Beleuchtungsstärke jeweils ein Spannungsniveau zu stabilisieren, das einen der beiden Ausgangsspannungswerte repräsentiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Stabilisierungsschaltungen eine Diode (DN1B, DN1C) und ein RC-Glied (R57, C63, C64) aufweist, dessen Zeitkonstante kürzer ist als eine Taktperiode des umzuwandelnden Lichtsignals.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Stabilisierungsschaltungen einen Spannungsteiler (R59/R61, R60/R62) aufweist, der aus einer Betriebsspannung einen Maximal- bzw. Minimalwert für das zu stabilisierende Spannungsniveau festlegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellwertermittlungsschaltung (82) den Schwellwert durch Bildung eines Mittelwerts der beiden Spannungsniveaus ermittelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode (PHD2) in Sperrichtung betrieben wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (80) einen als Transimpedanzverstärker beschalteten Operationsverstärker (IC5A) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Transimpedanzverstärker zwei parallel geschaltete Rückkopplungsglieder aufweist, wobei eines der Rückkopplungsglieder mindestens eine Diode (D54, DN1A) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unempfindlichkeitsschaltung vorhanden ist, die das Ausgangssignal um ein vorgegebenes Maß anhebt oder absenkt, damit die Vergleichsschaltung (84) nur auf Lichtsignale oberhalb einer vorgegebenen Mindestbeleuchtungsstärke anspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwellwertspeichereinrichtung vorhanden ist, die dazu ausgebildet ist, einen von der Schwellwertermittlungsschaltung (82) ermittelten Schwellwert zu speichern und der Vergleichsschaltung (84) zur Verfügung zu stellen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellwertspeichereinrichtung einen Mikroprozessor (150), einen A/D-Wandler (100) und einen D/A-Wandler (110) aufweist.
Befestigungs- und Kontaktiereinheit (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittstellenschaltung (IC3) vorhanden ist, die mit der Vergleichsschaltung (84) verbunden ist, um das digitale Ausgangssignal in ein differentielles Signal zur Kommunikation über einen Datenbus (40) umzuwandeln, und die dazu ausgebildet ist, ein über den Datenbus (40) empfangenes Signal in ein Lichtsignal umzuwandeln.
Befestigungs- und Kontaktiereinheit (30) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kommunikationsrichtungswahlschaltung (86) vorhanden ist, die dazu ausgebildet ist, eine Kommunikationsrichtung der Schnittstellenschaltung (IC3) zu steuern, wobei die Kommunikationsrichtungswahlschaltung (86) nur dann eine Umwandlung von über den Datenbus (40) empfangenen Signalen veranlasst, wenn von der Photodiode (PDH2) keine Lichtsignale empfangen werden.
Befestigungs- und Kontaktiereinheit (30) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsrichtungswahlschaltung (86) und/oder die Schnittstellenschaltung (IC3) dazu ausgebildet ist, die Unempfindlichkeitsschaltung so anzusteuern, dass die für ein Ansprechen der Vergleichsschaltung erforderliche Mindestbeleuchtungsstärke größer ist, wenn die Kommunikationsrichtungswahlschaltung (86) eine Umwandlung von über den Datenbus (40) empfangenen Signalen vorgibt, als wenn die Kommunikationsrichtungswahlschaltung (86) eine Umwandlung des digitalen Ausgangssignals vorgibt.
System mit mehreren Elektrizitätszählern (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, denen jeweils eine Befestigungs- und Kontaktiereinheit (30) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 zugeordnet ist, wobei die Befestigungs- und Kontaktiereinheiten (30) über einen Datenbus (40) mit einer zentralen Kommunikationseinrichtung (50) verbunden sind.