DE19510333C1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum Testen von Optokopplern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und eine Verfahren zum Testen von Optokopplern.

Optokoppler bieten den wesentlichen Vorteil, auch Gleichsignale potentialfrei übertragen zu können, was sie Transformatoren überlegen macht, die lediglich bei Wech­ selsignalen die Potentialtrennung ermöglichen. Optokoppler werden deswegen bevorzugt in Steuerungen eingesetzt, um Meldesignale mit geringer Leistung zwischen der zu steu­ ernden Maschine und der zugehörigen Steuerung zu über­ mitteln.

Diesem Vorteil der Optokoppler steht der Nachteil gegenüber, daß sie, weil Halbleiterbauelemente, naturgemäß etwas empfindlicher gegen elektrische Beschädigung sind als Transformatoren mit ihren Kupferwicklungen.

Wird beispielsweise ein Optokoppler dazu verwendet, ein Ruhestromsignal an eine Steuerung zu übermitteln, so kann die Steuerung nicht unterscheiden, ob das Ruhestrom­ signal an dem Optokoppler tatsächlich anliegt oder der in dem Optokoppler enthaltene Lichtdetektor einen internen Kurzschluß erlitten hat. Sowohl bei einem Kurzschluß als auch beim Anlegen einer entsprechenden Steuerspannung am Eingang des Optokopplers ist der Ausgang des Optokopplers niederohmig. Mit vertretbarem Aufwand ist es praktisch nicht zu unterscheiden, ob der Innenwiderstand des Opto­ kopplers ausgangsseitig so klein ist, daß es sich um einen Kurzschluß handelt.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Testen der Funktionsfähigkeit des Optokopplers zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schal­ tungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie das Verfahren mit den Verfahrensschritten des Anspruches 7 gelöst.

In sicherheitsrelevanten Steuerungen werden Optokopp­ ler in der Regel so eingesetzt, daß sie am Eingang mit einer Steuerspannung beaufschlagt sind, wenn die betref­ fenden Meldegeräte signalisieren, daß von der zu steuern­ den Maschine keine Gefahren ausgehen, d. h. die an den Eingang des Optokopplers angeschlossenen Meldegeräte in der Regel in Gestalt von Schaltern, sind Ruhestrommel­ degeräte. Die Unterbrechung des Stroms auf der Eingangs­ seite des Optokopplers führt zu einem Hochohmigwerden des Ausgangs des Optokopplers, was die Steuerung veranlaßt, gegebenenfalls die gesteuerte Maschine abzuschalten, falls gefährliche Betriebszustände auftreten können. Die Schal­ tungsanordnung ist insoweit sehr sicher und die einzige gefährliche Situation, die übrig bleibt, ist ein Versagen des Fototransistors im Ausgang des Optokopplers. Denn würde die Leuchtdiode am Eingang ausfallen, entspräche dies einem Öffnen des Meldegerätes, was zu der besagten Sicherheitsabschaltung führt. Gleiches gilt im Falle eines Hochohmigwerden des Fototransistors, nicht jedoch, wenn der Fototransistor aufgrund einer Überspannung oder wegen anderer Gründe vom Kollektor zum Emitter durchlegiert. Er würde dann der nachfolgenden Schaltung ständig den Zustand Ruhestrom am Eingang signalisieren.

Mittels des Impulsgebers, der an die Basis des Foto­ transistors angeschlossen ist, kann der Fototransistor kurzzeitig hochohmig geschaltet werden, obwohl das Melde­ gerät am Eingang an sich Ruhestrom meldet. Durch zeitliche Korrelation des Steuersignals an der Basis des Fototransi­ stors und dem Ausgangssignal, das am Fototransistor erhal­ ten wird, kann die nachfolgende Erkennungsschaltung fest­ stellen, ob der Fototransistor noch steuerbar ist, d. h. das vom Fototransistor gelieferte Signal tatsächlich den elektrischen Zustand an dem Eingang des Optokopplers wiederspiegelt.

Der wesentliche Vorteil dieser Schaltung besteht darin, daß zum Testen des Optokopplers keine Signale zu dem Eingang des Optokopplers, also wiederum potential­ getrennt übermittelt werden müssen. Die Einrichtung zum Testen des Optokopplers befindet sich potentialmäßig auf derselben Seite wie die Erkennungseinrichtung, die norma­ lerweise die Ausgangssignale des Optokopplers auswertet. Der Verdrahtungsaufwand wird dadurch minimal und die Sicherheit besonders gut.

In der einzigen Figur der Zeichnung ist die erfin­ dungsgemäße Schaltungsanordnung in einem Blockschaltbild gezeigt.

Die Zeichnung zeigt eine Schaltungsanordnung, die dazu dient, den Zustand eines Meldegerätes 1 über einen Optokoppler 2 an eine Steuerungs- und Überwachungsschaltung 3 zu liefern. Das gezeigte Blockschaltbild läßt sich als Ausschnitt aus einer komplexen Maschinensteuerung denken, wobei das Meldegerät beispielsweise die Zugangstür in einem Zaun überwacht, hinter dem sich eine Maschine befindet, und deren Gefahrenbereich nur unter ganz be­ stimmten eingeschränkten Bedingungen zu betreten ist. Jedes Öffnen der Zugangstür während des Normalbetriebes würde eine gefährliche Situation darstellen, die unmittel­ bar zum Abschalten der gesamten Anlage durch die Steuerung 3 führt.

Das Meldegerät 1 ist beispielsweise ein Ruhekontakt­ schalter 4, der über einen Vorwiderstand 5 an eine Span­ nungsquelle 6 angeschlossen ist. Die Serienschaltung aus dem Ruhekontakt 4, dem Vorwiderstand 5 und der Spannungs­ quelle 6 bildet einen aktiven Zweipol mit Anschlußklemmen 7 und 8.

Das Spannungssignal dieses Meldegerätes 1 steuert den Optokoppler 2. Der Optokoppler 2 enthält wenigstens eine Leuchtdiode 9, deren Elektroden mit Eingangsanschlüssen 11 und 12 des Optokopplers 2 intern verbunden sind. Als Lichtdetektor weist der Optokoppler 2 einen NPN-Fototran­ sistor 13 auf, dessen Kollektor mit einem Ausgangsanschluß 14 und dessen Emitter mit einem Ausgangsanschluß 15 ver­ bunden ist. Die Basis des Fototransistors 3 ist mit einem Steueranschluß 16 verbunden.

Die Beschaltung dieses Optokopplers 2 geschieht in der Weise, daß über eine zweiadrige Verbindungsleitung 17 die Anschlüsse 7 und 8 mit den Eingangsanschlüssen 11 und 12 elektrisch verbunden sind. Der Ausgangsanschluß 15 liegt an einer Schaltungsmasse 18, während der Ausgangs­ anschluß 14 über einen Arbeitswiderstand 19 mit einer Spannungsversorgung V_cc verbunden ist. Ferner ist an dem Ausgangsanschluß 14 ein Schmitt-Trigger 21 mit seinem Eingangsanschluß 22 angeschaltet, dessen Ausgang 23 mit einem Eingang 24 der Überwachungsschaltung in Verbindung steht. Der Schmitt-Trigger 21 sowie die Überwachungsschal­ tung 3 liegen stromversorgungsmäßig ebenfalls an der Schaltungsmasse 18 und der Versorgungsspannung V_cc.

Die Steuerungs- und Überwachungsschaltung 3 weist ferner einen Signalausgang 25 auf, der über einen Schutz­ widerstand 26 mit der Basis eines Transistors 27 in Ver­ bindung steht. Der Emitter des Transistors 27 liegt an der Schaltungsmasse 18, während der Kollektor mit dem Steuer­ eingang 16 verbunden ist.

Die Funktionsweise der insoweit beschriebenen Schal­ tungsanordnung ist wie folgt:
Wenn der Ruhekontakt 4 des Meldegerätes 1 geöffnet ist, ist der Stromkreis der Spannungsquelle 6 über die Leuchtdiode 9 des Optokopplers 2 unterbrochen. Die Leucht­ diode 9 ist folglich dunkel mit der weiteren Folge, daß sich der Fototransistor 13 in seinem hochohmigen gesperr­ ten Zustand befindet. Die Spannung an dem Eingang 22 des Schmitt-Triggers 21 ist damit gleich der Versorgungsspan­ nung V_cc. Über den Schmitt-Trigger 21 erhält somit die Steuer- und Überwachungsschaltung 3 die Nachricht, daß der Ruhekontakt 4 geöffnet ist. Je nach dem sonstigen Zustand der Anlage veranlaßt die Steuer- und Überwachungsschaltung 3 die jeweils notwendigen Maßnahmen.

Wenn der Ruhekontakt 4 geschlossen wird, fließt über den Widerstand 5 ein Strom durch die Leuchtdiode 9 und deren Licht veranlaßt den Fototransistor 13, in den nie­ derohmigen Zustand zu wechseln. Das Potential an dem Ausgangsanschluß 14 ist, abgesehen von der Sättigungs­ spannung des Transistors 13, näherungsweise gleich dem Massepotential 18. Diese bei null liegende Spannung ge­ langt über den Schmitt-Trigger 21 in den Eingang 24 der Steuer- und Überwachungsschaltung 3. Der Schmitt-Trigger 21 hat dabei lediglich die Aufgabe, langsame Zustands­ änderungen des Fototransistors 13 in ein entsprechend steiles Signal umzusetzen, damit die nachfolgende Steuer- und Überwachungsschaltung 3 ein eindeutiges Signal erhält. Üblicherweise ist der Schmitt-Trigger 21 in der Steuer- und Überwachungsschaltung 3 unmittelbar implementiert, beispielsweise, wenn es sich hierbei um einen entsprechen­ den Mikroprozessor handelt.

Eine Fehlerbetrachtung zeigt, an welcher Stelle des Signalweges von dem Meldegerät 1 zu der Steuer- und Über­ wachungsschaltung 3 kritische Bauelemente oder Zustände liegen können. Der Ruhestromschalter 4 ist keine solche gefährliche Stelle, denn Fehler hier können nur dazu führen, daß ein geöffneter Kontakt 4 simuliert und ein Signal erzeugt wird, das zu einer Sicherheitsabschaltung der Anlage führt. Gleiches gilt für Kurzschlüsse auf der Verbindungsleitung 17. Ein selbständiges Leuchten der Leuchtdiode 9 ist ausgeschlossen. Somit besteht der einzig gefährliche Bauelementefehler im Durchlegieren des Transi­ stors 13, der dadurch in den niederohmigen Zustand ge­ langt, was einem geschlossenen Kontakt 4 entsprechen würde.

Um diese Situation erkennen und von dem geschlossenen Kontakt 4 unterscheiden zu können, werden periodisch kurze Impulse von der Steuer- und Überwachungsschaltung 3 an dem Eingang 25 abgegeben. Diese Impulse steuern den Transistor 27 durch, der daraufhin für die Dauer des Impulses die Basis des Transistors 13 auf Massepotential legt. Hier­ durch wird der Transistor 13 zwischen seinem Emitter und seinem Kollektor hochohmig, unabhängig davon, ob die Leuchtdiode 9 Licht aussendet oder nicht; das elektrische Signal an der Basis hat Vorrang vor dem optischen Signal, das auf die Basis-Emitter-Sperrschicht einwirkt.

Da angenommen ist, daß der Ruhekontakt 4 geschlossen ist, führen die Steuerimpulse, die aus dem Ausgang 25 kommen, dazu, daß kurzfristig für die Dauer der Impulse der Optokoppler 2 an seinem Ausgang kurze Spannungsimpulse mit der Amplitude V_cc liefert. Diese von dem Optokoppler 2 gelieferten Signale werden von der Steuer- und Überwa­ chungsschaltung 3 mit den von ihr abgegebenen Steuerimpul­ sen an dem Ausgang 25 zeitlich korreliert und dazu ver­ wendet zu entscheiden, ob der Transistor 13 einwandfrei arbeitet. Würde der Transistor 13 durchlegiert haben, oder ein anderer Kurzschluß zwischen dem Ausgangsanschluß 14 und dem Ausgangsanschluß 15 aufgetreten sein, hätten die Steuerimpulse an dem Steuereingang 16 keine Wirkung, wenn gleichzeitig auch der Ruhekontakt 4 geschlossen ist. Die Steuer- und Überwachungsschaltung 3 würde aus dem Aus­ bleiben der Impulse schließen, daß ein Kurzschluß vorliegt und die Anlage abschalten. Gleichzeitig werden auch alle Bauelemente und Verbindungen mit geprüft, über die die Signale von dem Optokoppler 2 zu der Steuer- und Über­ wachungsschaltung laufen.

Bei geöffnetem Ruhekontakt 4 treten diese Impulse nicht auf, was im übrigen auch deswegen belanglos ist, weil die Anlage dann ohnehin sich in einem sicheren Ruhe­ zustand befindet oder in diesen Zustand zwangsweise ge­ schaltet wurde.

Die neue Schaltungsanordnung ist in der Lage, während des Betriebs der Anlage die in den verschiedenen Meldelei­ tungen enthaltenen Optokoppler auf Funktionsfähigkeit zu prüfen, ohne zusätzliche Eingriffe auf der Primärseite der Optokoppler zu erfordern. Die Testung geschieht aus­ schließlich auf der Sekundärseite der Optokoppler und auch nur dann, wenn die Anlage sich im Betrieb befindet. Dabei dienen die Meldegeräte selbst als Spannungsquelle, um die betreffenden Optokoppler primärseitig mit Strom zu ver­ sorgen, damit der Test auf der Sekundärseite durchgeführt werden kann. Zum Testen werden die Optokoppler an dem Basiseingang des Fototransistor jeweils kurzfristig ge­ sperrt. Daß diese Stromversorgung wegfällt, sobald die Meldegeräte unsichere Maschinenzustände oder gefährliche Betriebszustände signalisieren, spielt keine Rolle, denn dann wird die Anlage ohnehin abgeschaltet und im abge­ schalteten Zustand brauchen die Optokoppler nicht notwen­ digerweise auf Funktionsfähigkeit geprüft zu werden.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zum Testen eines Eingangsanschlü­ sse (11, 12), Ausgangsanschlüsse (14, 15) und einen Steuer­ eingang (16) aufweisenden Optokopplers (2), dessen Ein­ gangsanschlüsse (11, 12) intern mit einer Lichtquelle (9) und dessen Ausgangsanschlüsse (14, 15) intern mit einem einen steuerbaren Innenwiderstand aufweisenden Lichtdetek­ tor (13) verbunden sind, dessen Steuereingang den Steuer­ eingang (16) des Optokopplers (2) darstellt, wobei der Innenwiderstand mittels einer an dem Steuereingang (16) anliegenden Spannung unabhängig von dem Zustand der Licht­ quelle (9) hochohmig zu machen ist,
mit einer an die Einganganschlüsse (11, 12) des Opto­ kopplers (2) extern angeschlossenen Stromquelle (1),
mit einer an die Ausgangsanschlüsse (14, 15) des Optokopplers (2) extern angeschlossenen Erkennungsschaltung (3) und
mit einem an den Steuereingang (16) des Optokopplers (2) angeschlossenen Steuerspannungsgeber (3, 27), der impulsförmige Steuersignale an den Optokoppler (2) abgibt, um den Innenwiderstand des Lichtdetektors (13) kurzzeitig hochohmig zu machen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquelle (9) wenigstens eine Leuchtdiode ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Lichtdetektor (13) ein Fototransistor ist, dessen Kollektor mit einem Ausgangsanschluß (14) und dessen Emitter mit dem anderen Ausgangsanschluß (15) verbunden ist und dessen Basis an den Steuereingang (16) des Optokopplers (2) angeschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Erkennungsschaltung (3) Mittel aufweist, um den zeitlichen Verlauf des Innenwiderstands des Opto­ kopplers (2) mit den Steuersignalen zu vergleichen.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stromquelle ein Meldegerät umfaßt.

6. Verfahren zum Testen eines Eingangsanschlüsse (11, 12), Ausgangsanschlüsse (14, 15) und einen Steuerein­ gang (16) aufweisenden Optokopplers (2), dessen Eingangs­ anschlüsse (11, 12) intern mit einer Lichtquelle (9) und dessen Ausgangsanschlüsse (14, 15) intern mit einem einen steuerbaren Innen­ widerstand aufweisenden Lichtdetektor (13) verbunden sind, dessen Steuereingang den Steuereingang (16) des Optokopp­ lers (2) darstellt, um den Innenwiderstand mittels einer an dem Steuereingang (16) anliegenden Spannung unabhängig von dem Zustand der Lichtquelle (9) hochohmig zu machen, bei dem
an die Einganganschlüsse (11, 12) des Optokopplers (2) eine Spannung angelegt wird, um den Innenwiderstand des Lichtdetektors (13) in den niederohmigen Bereich zu steuern,
in den Steuereingang (16) des Optokopplers wenigstens ein impulsförmiges Steuersignal eingespeist wird, um den Innenwiderstand des Lichtdetektors (13) unabhängig von der Spannung an seinen Eingangsanschlüssen (11, 12) kurzzeitig hochohmig zu machen, und
bei dem überprüft wird, ob während des Anliegens des Steuersignals der Innenwiderstand des Lichtdetektors (13) tatsächlich hochohmig ist.