DE19735583C1 - Verfahren und Anordnung zum Ansteuern eines Schaltelements - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Ansteuern eines lichtgesteu­ erten Schaltelements.

Halbleiterschalter werden in zunehmendem Maße zum Schalten von Verbrauchern mit hoher Leistung eingesetzt. Dabei werden häufig mechanische Relais durch zuverlässigere und ins­ besondere mechanischen Belastungen gegenüber unempfindlicheren Halbleiter- Leistungsschalter ersetzt.

In vielen Fällen muß dabei eine galvanische Trennung zwischen Leistungs- und Steuerungs­ komponenten auch bei einem Halbleiterschalter gewährleistet sein, die beim mechanischen Relais grundsätzlich vorhanden ist. Dies gilt insbesondere bei bidirektionalen Halbleiter- Schaltern in Wechselspannungslastkreisen, wo die Potentialverhältnisse am Halbleiter- Leistungsschalter keinen gemeinsamen Bezugspunkt der Ansteuerspannung und der Steue­ rungskomponenten zulassen. Zudem kann aus sicherheitstechnischen Gründen eine Schutzi­ solation zwischen Leistungs- und Steuerungskomponenten zwingend erforderlich sein. Für die Ansteuerung des Halbleiterschalters muß in diesem Fall sowohl das Signal mit der An­ steuerinformation als auch die zur Ansteuerung notwendige Energie über die Isolation über­ tragen werden. Vorzugsweise werden dazu optisch angesteuerte Festkörperrelais, sogenannte Photovoltaik-Relais, eingesetzt.

In der Patentschrift US-A 4,263,843 ist ein Photovoltaik-Relais offenbart, bei der eine Pho­ todiodenkette als photoelektrischer Wandler dient, weicher optisch mit einer LED gekoppelt ist. Als Halbleiter-Leistungsschalter ist ein MOS-gesteuertes Bauelement eingesetzt. Der Halbleiter-Leistungsschalter wird eingeschaltet, d. h. in den leitfähigen Zustand gebracht, indem dessen Gate-Elektrode mit dem in der Photodiodenkette generierten Photostrom gela­ den wird. Der Halbleiterschalter wird ausgeschaltet, indem der Photostrom unterbrochen wird und die Ladung der Gate-Elektrode über einen hochohmigen Widerstand gegen Masse abfließt.

Der Nachteil dieses und vergleichbarer Photovoltaik-Relais nach dem Stand der Technik besteht darin, daß die Übergangsflanken relativ flach sind und daher Ein- und Ausschaltzeiten infolge der kapazitiven Belastung des Steuereingangs im Bereich von Millisekunden liegen und damit sehr groß sind. Dadurch nehmen die Schaltverluste mit steigender Schaltleistung überproportional zu und beschränken die Anwendbarkeit dieser Anordnungen auf das Schalten relativ geringer Leistungen, wie sie insbesondere im Telekommunikationsbereich üblich sind. Wegen der zunehmenden Schaltverluste sind diese Photovoltaik-Relais bei höheren Leistungen nicht einsetzbar.

In der DE-A1-42 15 199 ist eine lichtgesteuerte Schalteinrichtung mit einem Schaltelement offenbart, welches über eine optische Kopplung an eine Steuerlichtquelle angekoppelt ist. Dabei ist parallel zu einer Mehrzahl von Photodioden ein Ladungsspeicher angeordnet, welcher als niederohmige Spannungsversorgung für die Gateelektrode des Schaltelements vorgesehen ist und Energie zum Schalten des Schaltelements zur Verfügung stellt. Ist die Steuerlichtquelle eingeschaltet, wird der Ladungsspeicher durch einen Teil des Photostroms geladen, wodurch Ladungsverluste des Ladungsspeichers kompensiert werden. Ist die Steuerlichtquelle ausgeschaltet, wird der Ladungsspeicher durch eine externe Quelle versorgt, insbesondere aus dem Lastkreis, der am Ausgang des Schaltelements angeschlossen ist. Während zumindest ein geringer Anteil der Energie zum Ausschalten des Schaltelements über den Ladungsspeicher aus der Photoenergie der Steuerlichtquelle gewonnen werden kann, muß die Energie zum Einschalten des Schaltelements über den Ladungsspeicher von einer anderen Quelle zur Verfügung gestellt werden. Ferner ist bei dieser bekannten Schalteinrichtung eine weitere, mit der Steuerlichtquelle gekoppelten Photodiode vorgesehen, die bei eingeschalteter Steuerlichtquelle eine Ansteuerschaltung zur Erzeugung eines Ansteuersignals für die Gateelektode des Schaltelementes veranlaßt. Eine Abschaltung der Steuerlichtquelle führt daher auch zur Abschaltung des Schaltelementes.

Schließlich ist aus der JP 2-256 315 A eine weitere Schalteinrichtung bekannt, die eine erste Lichtquelle zur Erzeugung eines Ansteuersignals zum Ein- und Ausschalten eines Schaltelementes und eine zweite Lichtquelle zum Laden eines Kondensators als Ladungsspeicher aufweist. Dabei ist die erste Lichtquelle mit einem Phototransistor gekoppelt, der bei eingeschalteter erster Lichtquelle eine Verbindung des Ladungsspeichers mit der Gateelektrode des Schaltelementes herstellt, während die zweite Lichtquelle über eine Reihenschaltung von Photodioden den Ladungsspeicher auflädt, solange diese zweite Lichtquelle eingeschaltet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Photovoltaik-Relais und ein Verfahren zu seiner Steuerung anzugeben, welches ein schnelleres Ein- und Ausschalten eines Halbleiter- Leistungsschalters ermöglicht und das zum Einsatz in höheren Leistungsbereichen geeignet ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zum Ansteuern einer lichtgesteuerten Schalteinrichtung mit einem Schaltelement mit einem Steuereingang eine Ansteuersignal- Empfängereinrichtung über eine ein Sendelicht aussendende Steuerlichtquelle angekoppelt, wobei das Sendelicht im Einschalt- und Ausschaltzustand des Schaltelements eine unterschiedliche Kodierung aufweist und in Abhängigkeit dieser Kodierung die Ansteuersignal-Empfängereinrichtung Ansteuersignale zum Ein- und Ausschalten dem Steuereingang des Schaltelementes zuführt. Ferner ist ein Ladungsspeicher vorgesehen, der zum Speichern von Energie zum Ein- und Ausschalten des Schaltelementes über ein photoelektrisches Wandlerelement mit der das kodierte Sendelicht aussendende Steuerlichtquelle gekoppelt ist, so daß dieser Ladungsspeicher sowohl im Einschalt- als auch im Ausschaltzustand des Schaltelementes geladen wird.

In vorteilhafter Weise wird das Ansteuersignal - neben der Verwendung zur Übertragung von zu speichernder Energie, die für Ansteuerelemente des eigentlichen Leistungsschalters nötig ist, auf einen Ladungsspeicher - noch hinsichtlich seines Informationsgehaltes ausgewertet und der Ein- oder Ausschaltzustand über schnelle Ansteuerelemente gesteuert. Günstig ist, daß der empfängerseitige Ladungsspeicher weitere Verbraucher versorgen kann.

Besonders vorteilhaft ist es, die Kodierung so zu wählen, daß im zeitlichen Mittel die von der Steuerlichtquelle abgestrahlte Lichtleistung sowohl während des Einschaltzustandes als auch während des Ausschaltzustandes des Schaltelementes möglichst groß ist.

Vorzugsweise wird die Ladung in einem Kondensator gespeichert. Eine weitere bevorzugte Möglichkeit besteht darin, die Ladung in einem elektrochemischen Element zu speichern.

Vorzugsweise unterscheiden sich die Höhen der Ansteuersignale im eingeschalteten und im ausgeschalteten Zustand des Schalters, insbesondere nimmt die Höhe des Ansteuersignals im ausgeschalteten Zustand des Schalters mindestens zwei verschiedene Werte an. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit ist, wenn das Ansteuersignal durch Pulse gebildet wird, deren Längen sich im eingeschalteten und im ausgeschalteten Zustand des Schalters unterscheiden.

Bevorzugt wird die Form des Ansteuersignals und/oder die Höhe in der Ansteuereinheit registriert und bewertet und der Schalter daraufhin eingeschaltet oder ausgeschaltet.

Vorteilhaft ist, Mittel zum Schutz des Schalters vorzusehen, die über das Ansteuersignal mitversorgt werden. Eine weitere bevorzugte Ausführung besteht darin, den Ladungsspeicher neben der Versorgung aus dem Photostrom des Ansteuersignals zusätzlich aus dem Lastkreis zu versorgen.

Eine besonders bevorzugte Anordnung zum Ansteuern eines Halbleiterschalters mit einem von einem Ansteuersignal galvanisch getrennten Halbleiterschalter weist einen Photosensor, eine Dekoderschaltung -und eine davon angesteuerte schnelle, mit großer Flankensteilheit arbeitende Treiberstufe für die Ansteuerung des Halbleiterschalters auf, wobei die Dekoderschaltung zumindest einen Schmitt-Trigger aufweist und wobei die Anordnung Mittel zum Überlastschutz und/oder Mittel zur Unterspannungserkennung des Schaltelements aufweist.

In einer weiteren bevorzugten Anordnung sind Mittel zum Schutz des Halbleiterschalters auf der Empfängerseite des photovoltaischen Relais vorgesehen. Vorteilhaft ist, daß die Schutzmittel aus dem Ladungsspeicher elektrisch versorgt werden können.

In einer weiteren bevorzugten Anordnung sind Mittel vorgesehen, den Ladungsspeicher zu­ sätzlich aus dem Lastkreis des Halbleiterschalters aufzuladen. Vorteilhaft ist, daß nur noch ein geringer Restenergiebedarf des Halbleiterschalters im eingeschalteten Zustand aus dem Photostrom benötigt wird, da eine Grundversorgung aus dem Lastkreis entnommen werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Abordnung sind Mittel zur Unterspannungserkennung auf der Empfängerseite des Halbleiterschalter vorgesehen. Damit ist es möglich, eine Signalkodie­ rung gemäß der Erfindung in Verbindung mit einer Unterspannungserkennung mit einer herkömmlichen Photovoltaik-Relais-Ansteuerung zu kombinieren.

Mit einer bevorzugten Dekoderschaltung wird die Lichtkodierung erkannt und der Schalter ein- und/oder ausgeschaltet. Vorteilhaft ist, daß mit der bevorzugten Dekoderschaltung eine zu herkömmlichen Photovoltaik-Relais kompatible Ansteuerung der Sender-LED möglich ist.

Im folgenden sind die Merkmale, soweit sie für die Erfindung wesentlich sind, eingehend erläutert und anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Signalform eines Ansteuersignals gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit Ladungsspeicher und Dekoder­ schaltung,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit Schutzschaltungen,

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit Kaskodenschaltung,

Fig. 6 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit Unterspannungserkennung,

Fig. 7 die zeitliche Entwicklung von Kenngrößen einer Schaltung mit konventioneller LED-Ansteuerung mit erfindungsgemäßer Unterspannungserkennung mit (a) LED-Strom, (b) Ladezustand der Pufferkapazität mit kritischem Spannungswert und (c) Gatespannung des Schalters

Fig. 8 ein Signaldekoder gemäß der Erfindung,

Fig. 9 die zeitliche Entwicklung von LED-Signal und Gatespannung des Schalters beim Einschalt- (a) und Ausschaltvorgang (b) gemäß der Erfindung.

Bekannte optisch angesteuerte Festkörperrelais gibt es in verschiedenen Ausführungen. Die­ sen optisch angesteuerten Festkörperrelais ist gemeinsam, daß sie auf der Steuerungs- und Sendeseite eine Lichtquelle, insbesondere eine LED, und auf der Empfängerseite einen Halbleiter-Leistungsschalter aufweisen, der die Funktion des Relaiskontakts übernimmt. Die verschiedenen Varianten unterscheiden sich hauptsächlich in der Art des Leistungsschalters, wie etwa Leistungs-MOS, Thyristoren, Triac, und der Art der Ansteuerung. Dabei wird die Lichtenergie bevorzugt direkt zum Zünden des Halbleiterschalters genutzt.

In Fig. 2 ist schematisch eine Schaltungsanordnung mit einem Photovoltaik-Halbleiterrelais gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Das Photovoltaik-Relais umfaßt die Ansteuerseite mit mindestens einer lichtemittierenden Komponente 2 und die Empfängerseite mit einem photoelektrischen Wandlerelement 3 und einem Halbleiterschalter 5, der einen Lastkreis 6 aufweist. Details zum Lastkreis 6 sind nicht angegeben.

Das Einschalten des Halbleiterschalters 5 wird durch Anlegen einer Steuerspannung an das Eingangsklemmenpaar 1 ausgelöst. Dazu wird ein Ansteuersignal, über einen Vorwiderstand 1.1 von einer LED-Einheit 2, ausgesendet. Das von der LED abgestrahlte Sendelicht wird empfängerseitig mittels eines photovoltaischen Elements 3 in elektrische Energie umgewan­ delt. Das photovoltaische Element 3 besteht vorzugsweise aus einer Photodiodenkette. Als Halbleiterschalter 5 wird üblicherweise ein MOS-gesteuertes Bauelement eingesetzt. Der Halbleiterschalter 5 wird in den leitfähigen Zustand gebracht, indem dessen Gateelektrode mit dem in der Photodiodenkette 3 generierten Photostrom geladen wird. Es wird gleichzei­ tig sowohl ein Energie- als auch ein Steuersignal übertragen, da nur während des einge­ schalteten Zustands des Halbleiterschalters die Gateelektrode aufgeladen werden kann. Der Zustand "Schalter einschalten" entspricht dem Zustand, daß die LED 2 Sendelicht aussendet, der Zustand "Schalter ausschalten" entspricht dem Zustand, daß die LED 2 kein Sendelicht aussendet. Der obere Grenzwert der Ladespannung der Gateelektrode wird im wesentlichen von der Zahl der Photodioden in der Photodiodenkette 3 bestimmt. Wird der Strom der LED 2 unterbrochen, so entlädt sich die Gateelektrode über den Widerstand 4. Die Dimensionie­ rung des Widerstands 4 wird so gewählt, daß sich ein günstiges Verhältnis zwischen Lade- und Entladezeit einstellt. Es entstehen dadurch aber relativ flach geneigte Signalflanken, die hohe Schaltverluste im Halbleiterschalter 5 nach sich ziehen.

Der von der Photodiodenkette 3 generierte Strom hängt von verschiedenen Faktoren ab und liegt in der Praxis in der Größenordnung zwischen 1 µA und 20 µA. Bei Halbleiterschaltern hoher Leistung, d. h. geringem "on"-Widerstand, sind aufgrund der großen Gatekapazität die Schaltzeiten verhältnismäßig lang und liegen im Bereich von Millisekunden. Mit steigender Schaltleistung nehmen die Schaltverluste überproportional zu. Photovoltaik-Relais gemäß der Beschreibung in Fig. 2 sind üblicherweise für Lastströme von 1-2 A bei Sperrspannun­ gen von 60 V erhältlich. Die Einschaltzeit liegt hier bereits bei einem hohen Wert von etwa 2 ms bei einem LED-Strom von 10 mA.

Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert derartige Photovoltaik-Relais hinsichtlich ihrer Schaltzeiten und der Leistungsfähigkeit erheblich. In den Photovoltaik-Relais gemäß dem Stand der Technik sind Signal- und Energieübertragung nicht getrennt, so daß nur im Zu­ stand "Einschalten" Energie übertragen wird, die direkt zum Laden der Gateelektrode des Halbleiterschalter 5 verwendet wird. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden Energie- und Signalübertragung vorteilhafterweise teilweise entkoppelt, so daß auch im Zustand "Ausschalten" des Halbleiterschalters 5 Energie übertragen werden kann. Vorteilhafterweise ist auf der Empfängerseite ein Energiespeicher 7 angeordnet, der empfängerseitig als perma­ nente, niederohmige Spannungsversorgung für Ansteuerelemente des Halbleiterschalters 5 und etwaige weitere Elemente wirkt.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von Halbleiterschaltern erläutert, die ohne Ansteuer­ signal normalerweise ausgeschaltet sind (normally off). Es können jedoch gleichermaßen Schalter verwendet werden, die normalerweise eingeschaltet sind (normally on).

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Anwendung bei Halbleiterschaltern be­ schränkt, sondern kann auch für andere Schaltelemente, insbesondere für mechanische Re­ lais eingesetzt werden.

Um eine vom Ansteuerzustand unabhängige Energieübertragung gemäß der Erfindung zu ermöglichen, wird das Ansteuersignal vorzugsweise durch eine Kodierung des von der LED 2 ausgesendeten Sendelichts übertragen und empfängerseitig durch eine geeignete Dekoder­ schaltung zurückgewonnen. Die Kodierung kann die Signalform und/oder die Signalampli­ tude betreffen. Als Lichtquelle kann auch ein Laser verwendet werden. Insbesondere können zur Energieübertragung des Sendelichts auch Glasfasern eingesetzt werden.

Zweckmäßig ist, die Kodierung so zu wählen, daß die im zeitlichen Mittel von der LED 2 abgestrahlte Lichtleistung für beide Ansteuerzustände des Halbleiterschalter 5 möglichst groß ist. Vorzugsweise wird eine binäre Kodierung des Lichtstroms gewählt. Eine günstige binäre Kodierung besteht darin, daß das Einschalten des Halbleiterschalter 5 durch Dauer­ licht und das Ausschalten des Halbleiterschalter 5 durch Pulslicht ausgelöst wird. Dauerlicht entspricht einem Lichtpuls mit einer Dauer, die in etwa der Einschaltdauer des Halbleiter­ schalters 5 entspricht. Die Pulse im ausgeschalteten Zustand des Halbleiterschalters 5 sind erheblich kürzer als die Zeitdauer, in der der Halbleiterschalter 5 ausgeschaltet ist. Beson­ ders bevorzugt ist, das Puls/Pausen-Verhältnis möglichst groß zu wählen, so daß auch im ausgeschalteten Zustand des Halbleiterschalter möglichst viel Energie übertragen werden kann. Ein vorteilhaftes Puls/Pausenverhältnis liegt zwischen 50% und 90%, besonders be­ vorzugt bei 90%.

In Fig. 1 ist ein Photostrom-Signal gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren (a) abgebildet und das empfängerseitig dekodierte Ansteuersignal (b). Das Lichtstromsignal besteht im ausgeschalteten Zustand des Halbleiterschalters 5 aus einer Folge von Pulsen, vorzugsweise im MHz-Bereich. Das dekodierte Ansteuersignal bleibt auf null und der Halbleiterschalter 5 bleibt ausgeschaltet. Erst wenn ein Dauersignal gesendet wird, steht ein Ansteuersignal am Ausgang der Dekodierschaltung an und der Halbleiterschalter 5 schaltet ein. Die Verzöge­ rung zwischen dem Erkennen des Beginns des Dauerlichts und dem Einschalten des Halb­ leiterschalters 5 liegt im Bereich der Pulsbreite des gepulsten Sendelichts. Da die Pulsbreite vorzugsweise wenige µs beträgt, reagiert der Halbleiterschalter 5. sehr schnell auf das Ein­ schaltsingal.

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Anordnung eines Photovoltaik-Relais dargestellt. Eine LED 2 mit eine Eingangsklemmenpaar 1 auf der Steuer- und Leistungsseite ist mit einer Photodiodenkette 3 auf der Empfängerseite optisch gekoppelt. Die Photodiodenkette 3 stelle einen photoelektrischen Wandler dar. Der Photostrom lädt erfindungsgemäß jedoch nicht direkt die Gateelektrode des Halbleiterschalters 5, sondern einen zusätzlichen Ladungsspei­ cher 7, vorzugsweise eine Kapazität oder ein elektrochemischer Speicher. Die Kapazität dient empfängerseitig vorzugsweise für alle Komponenten einer Ansteuerschaltung als nie­ derohmige Spannungsquelle und wird in der weiteren Beschreibung als Pufferkapazität be­ zeichnet. Eine vorteilhafte Größe der Pufferkapazität 7 liegt zwischen dem fünffachen bis zehnfachen Wert der Gatekapazität des Halbleiter-Leistungsschalters 5. Am Halbleiter­ schalter 5 ist ein Lastkreis an den Klemmen 6 anschließbar, der übliche Komponenten eines Lastkreises wie Spannungsversorgung, Verbraucher und dergl. aufweist. Etwaige Lastkreis­ komponenten sind nicht dargestellt. Das erfindungsgemäß kodierte Signal gewährleistet ein permanentes Nachladen der Pufferkapazität unabhängig vom Betriebszustand des Halbleiter­ schalters 5.

Die Information über den Ansteuerzustand wird durch die Kodierung des Lichtstroms der LED 2 übertragen. Das Signal in der Ansteuerschaltung wird durch einen zusätzlichen Pho­ tosensor 8, vorzugsweise einem Phototransistor, detektiert. Eine daran angeschlossene De­ koderschaltung 9 leitet in an sich bekannter Weise aus dem detektierten Signal den logischen Ansteuerzustand ab. Daraufhin wird der Halbleiterschalter 5 von einer zwischen Dekoder­ schaltung 9 und Halbleiterschalter 5 angeordneten Treiberstufe 10 angesteuert, die relativ niederohmig das Gate des Halbleiterschalters 5 an den Ladungsspeicher 7 oder an Masse anlegt, das Gate also sehr schnell auflädt bzw. entlädt.

Aufgrund der aktiven Ansteuerung des Halbleiterschalters 5 durch die Treiberstufe 10, die aus der Pufferkapazität 7 versorgt wird, lassen sich vorteilhaft kurze Schaltzeiten im µs- Bereich erreichen. Die Gate-Umladezeit kann durch die Dimensionierung, vorzugsweise über den Ausgangsstrom der Treiberstufe 10 den jeweilige Anforderungen an das Photovol­ taikrelais angepaßt werden. Eine Diode 11 ist so in Serie mit der Photodiodenkette 3 ge­ schaltet, daß ein unerwünschtes Entladen der Pufferkapazität 7 bei fehlendem Lichteinfall auf die Photodiodenkette 7 vermieden wird.

Durch die permanente empfängerseitige Spannungsversorgung gemäß der Erfindung aus der Pufferkapazität können vorteilhafte Schutzschaltungen auf der Empfängerseite realisiert werden, vorzugsweise Überlastschutz durch Übertemperatur und/oder Überstromschutz für den Halbleiterschalter 5. Eine solche Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt. Die Schutzschal­ tung 12 ist auf der Empfängerseite des Festkörperrelais angeordnet.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, die Pufferkapazität 7 zusätzlich aus dem Lastkreis nachzuladen. Die Pufferkapazität 7 kann auch aus dem Lastkreis alleine versorgt werden. In Fig. 5 ist eine Anordnung dargestellt, bei der die Pufferkapazität 7 sowohl aus dem Photostrom als auch aus dem Lastkreis geladen wird.

Eine Kaskodenschaltung 13 begrenzt vorzugsweise die Spannung über dem Halbleiter­ schalter 5 auf das Betriebsspannungsniveau des Empfängersystems. Ist im eingeschalteten Zustand des Halbleiterschalters 5 der Spannungsabfall über dem Schalter zu niedrig, erfolgt das Nachladen der Pufferkapazität 7 aus der Photodiodenkette 3. Falls im ausgeschalteten Zustand des Halbleiterschalters 5 die Spannung am Halbleiterschalter 5 grundsätzlich hinrei­ chend groß ist, um die Pufferkapazität 7 nachzuladen, braucht die Energieversorgung durch optische Übertragung vorteilhafterweise nur noch für einen etwaigen Restenergiebedarf des Halbleiterschalters 5 im bereits eingeschalteten Zustand ausgelegt zu sein. Die Energie für die Umladung der Gateelektrode des Halbleiterschalters 5 kann dann vollständig aus dem Lastkreis gewonnen werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist, zusätzlich eine Unterspannungserkennung 14 vorzusehen. Dies ist in Fig. 6 dargestellt. Die Unterspan­ nungserkennung 14 sorgt vorteilhafterweise dafür, daß die Pufferkapazität 7 erst dann mit der restlichen Empfängerschaltung verbunden und diese dadurch aktiviert wird, wenn eine vorgegebenen Spannungsschwelle an dieser Pufferkapazität 7 überschritten ist. Dadurch wird erreicht, daß der Halbleiterschalter 5 bei einer zu geringen Gatespannung nicht ein­ schaltet und/oder eine Fehlfunktion etwaiger Schutzschaltungen auf der Empfängerseite vermieden.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist, das Verfahren der Signalkodierung so zu er­ weitern, daß auch der Zustand, wenn kein Licht von der LED 2 ausgesendet und/oder von der Photodiodenkette 3 empfangen wird, als Ausschaltsignal für den Halbleiterschalter 5 zu verwenden. Damit gelingt die besonders günstige Kombination der vorteilhaften, sehr schnellen Schaltzeiten Schaltung mit einer Signalkodierung gemäß der Erfindung mit her­ kömmlichen photovoltaischen Relais nach dem Stand der Technik. Ein möglicher Verlauf eines solchen Ein- und Ausschaltvorgangs ist in Fig. 7 anhand von Strom-Zeitdiagrammen dargestellt. Fig. 7a zeigt den LED-Strom nach dem Stand der Technik, Fig. 7b zeigt einen daraus resultierenden Spannungsverlauf an der erfindungsgemäßen Pufferkapazität 7 und Fig. 7c den Verlauf der Gatespannung des Halbleiter-Leistungsschalters 5. Nach dem Ein­ schalten der LED 2 wird zunächst die Pufferkapazität 7 mit dem Photostrom geladen. Sobald die Spannung an der Kapazität einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, wird die restli­ che Empfängerschaltung aktiviert, die dann den Ansteuerszustand "einschalten" erkennt und den Schalter 5 unmittelbar einschaltet. Eine Unterbrechung des LED-Stroms wird als Aus­ schaltsignal interpretiert und der Schalter 5 unmittelbar ausgeschaltet.

In Fig. 8 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung für einen Signaldekoder dargestellt, der auf der Empfängerseite angeordnet ist. Eine Lichteinstrahlung auf einen Phototransistor 15 löst am Knoten 16 einen LO-Pegel hervor, wodurch ein Halbleiterschalter 20 geöffnet wird. Der Kondensator 17 wird von der Stromquelle 18 geladen. Es stellt sich ein rampenförmiger Spannungsverlauf ein. Ohne Lichteinstrahlung ergibt sich am Knoten 16 ein HI-Pegel, der Halbleiterschalter 20 schließt und entlädt den Kondensator 17.

Wird Licht auf den Phototransistor 15 eingestrahlt, das periodische kurze Pausen enthält, was einem Ausschaltsignal gemäß der Erfindung entspricht, dann wird der Halbleiterschalter 20 entsprechend periodisch geschlossen und der Kondensator 17 periodisch entladen. Diese Entladung erfolgt durch die Wahl der Periodendauer, bevor die rampenförmig ansteigende Spannung an der Kapazität 17 den Schwellwert eines Schmitt-Triggers 19 erreicht, dessen Ausgang kontinuierlich auf einem LO-Pegel bleibt, was als Ausschaltsignal zu interpretieren ist.

Wird kontinuierlich Licht auf den Phototransistor 15 eingestrahlt, was einem Einschaltsignal entspricht, unterbleibt das periodische Entladen des Kondensators 17 und die Rampenspan­ nung überschreitet den Schwellwert des Schmitt-Triggers 19. Dieser meldet daraufhin an seinem Ausgang einen HI-Pegel, was von der Ansteuerschaltung als Einschaltsignal zu in­ terpretieren ist.

Vorzugsweise führt jede Lichtpause, insbesondere ein Wechsel von einem Zustand mit Dau­ erlicht zu einem Zustand ohne Licht, zu einem unmittelbaren Entladen des Kondensators 17 und zu einem LO-Pegel am Ausgang des Schmitt-Triggers 19. Damit ist vorteilhafterweise eine zu herkömmlichen Photovoltaik-Relais kompatible Ansteuerung der LED 2 mit einer Signalkodierung gemäß dem Stand der Technik möglich.

Fig. 9 zeigt den Ablauf eines Ein- und Ausschaltvorganges gemäß der Erfindung. In Fig. 9a zeigt der erste Kanal das Signal der LED 2 und der zweite Kanal die Gatespannung des Halbleiterschalters 5 als Funktion der Zeit. Die Ansteuerung erkennt innerhalb einer Zeit­ spanne, die in etwa einer Pulsbreite entspricht, daß der Halbleiterschalter 5 einzuschalten ist. Die Pulsbreite in diesem Beispiel liegt etwa bei 200 µs. im Gegensatz zum zeitlichen Ver­ lauf der Gatespannung gemäß dem Stand der Technik schaltet der Halbleiterschalter 5 um mehrere Größenordnungen schneller ein als ein entsprechender Schalter gemäß dem Stand der Technik. In Fig. 9b ist der entsprechende Ausschaltvorgang abgebildet. Hier zeigt sich ebenfalls, daß der Schalter gemäß der Erfindung wesentlich schneller ausschaltet als nach dem Stand der Technik möglich.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist, eine erfindungsgemäße, insbesondere empfängerseitige, Anordnung gemäß den Fig. 3 bis 6 monolithisch auf Halbleiterchips zu integrieren. Be­ vorzugt wird dazu eine Silicon-on-insulator-Technologie (SOI) verwendet oder entspre­ chende Technologien mit vorzugsweise dielektrischer Isolation. Eine solche dielektrische Isolation hat den Vorteil, daß eine Photodiodenkette integrierbar ist, ohne daß eine gegen­ seitige, unerwünschte Beeinflussung der einzelnen Photodioden untereinander stattfindet.

Eine bevorzugte Ausführung ist, den Halbleiterschalter in die Integration einzubeziehen. Eine weitere bevorzugte Ausführung ist, den Halbleiterschalter als separates Bauteil zu ver­ wenden. Beide Formen ermöglichen einen kompakten, zuverlässigen und preiswerten Auf­ bau der Anordnung.

Die Integration der erfindungsgemäßen Anordnung mittels üblicher IC-Technologien erlaubt neben dem kompakten Aufbau auch eine sehr hohe räumliche Präzision der Anordnung, insbesondere für die Empfängereinrichtung 8. Vorteilhafterweise gelingt damit eine gemein­ same Nutzung der übertragenen Energie des Senders, da die empfangende Photodiodenkette und der Empfänger 8 sehr eng benachbart angeordnet werden können.

Claims (17)

1. Verfahren zum Ansteuern einer lichtgesteuerten Schalteinrichtung mit

• a) einem Schaltelement (5) mit einem Steuereingang, der über eine Ansteuersignal- Empfängereinrichtung (8, 9, 10) an eine im Einschalt- und Ausschaltzustand des Schaltelements (5) ein Sendelicht aussendende Steuerlichtquelle (2) angekoppelt ist, wobei das Sendelicht im Einschalt- und Ausschaltzustand des Schaltelements (5) eine unterschiedliche Kodierung aufweist, und in Abhängigkeit dieser Kodierung die Ansteuersignal-Empfängereinrichtung (8, 9, 10) Ansteuersignale zum Ein- und Ausschalten dem Steuereingang des Schaltelementes (5) zuführt, und
• b) einem Ladungsspeicher (7), der zum Speichern von Energie zum Ein- und Ausschalten des Schaltelementes (5) über ein photoelektrisches Wandlerelement (3) mit der das kodierte Sendelicht aussendende Steuerlichtquelle (2) gekoppelt ist, wobei der Ladungsspeicher (7) sowohl im Einschalt- als auch im Ausschaltzustand des Schaltelementes (5) geladen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im zeitlichen Mittel die von der Steuerlichtquelle (2) abgestrahlte Lichtleistung sowohl während des Einschaltzustandes als auch während des Ausschaltzustandes des Schaltelements (5) möglichst groß ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Sendelicht durch Lichtpulse gebildet wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im eingeschalteten und im ausgeschalteten Zustand des Schaltelements (5) unterschiedliche Pulslängen verwendet werden.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem zum Einschalten des Schaltelements (5) ein einzelner Puls mit einer Länge, die in etwa der Einschaltdauer des Schaltelements (5) entspricht, gesendet wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Pulslänge des Lichtsignals in der Ansteuersignal-Empfängereinrichtung (8, 9, 10) registriert und bewertet wird und das Schaltelement (5) daraufhin eingeschaltet oder ausgeschaltet wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem ein Puls/Pausenverhältnis im ausgeschalteten Zustand des Schaltelements (5) zwischen 50% und 95% verwendet wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem Mittel (12, 13, 14) zum Schutz des Schaltelements (5) vom Ladungsspeicher (7) mitversorgt werden.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Ladungsspeicher (7) zusätzlich zu dem Photostrom aus dem Lastkreis (6) des Schaltelements (5) geladen wird.

10. Anordnung zum Ansteuern einer lichtgesteuerten Schalteinrichtung mit

• a) einem Schaltelement (5) mit einem Steuereingang, der über eine Ansteuersignal- Empfängereinrichtung (8, 9, 10) an eine im Einschalt- und Ausschaltzustand des Schaltelements (5) ein Sendelicht aussendende Steuerlichtquelle (2) angekoppelt ist, wobei das Sendelicht im Einschalt- und Ausschaltzustand des Schaltelements (5) eine unterschiedliche Kodierung aufweist, und in Abhängigkeit dieser Kodierung die Ansteuersignal-Empfängereinrichtung (8, 9, 10) Ansteuersignale zum Ein- und Ausschalten dem Steuereingang des Schaltelementes (5) zuführt, und
• b) einem Ladungsspeicher (7), der zum Speichern von Energie zum Ein- und Ausschalten des Schaltelementes (5) über ein photoelektrisches Wandlerelement (3) mit der das kodierte Sendelicht aussendende Steuerlichtquelle (2) gekoppelt ist, wobei der Ladungsspeicher (7) sowohl im Einschalt- als auch im Ausschaltzustand des Schaltelementes (5) geladen wird.

11. Anordnung nach Anspruch 10, bei der als Wandlerelement eine Mehrzahl von Photodioden (3) parallel zu dem Ladungsspeicher (7) angeordnet sind, und wobei die Ansteuersignal-Empfängereinrichtung (8, 9, 10) einen Photosensor (8), eine Dekoderschaltung (9) und eine Treiberstufe (10) zum Steuern des Schaltelements (5) aufweist.

12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, bei der der Ladungsspeicher (7) durch einen Kondensator gebildet wird.

13. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, bei der der Ladungsspeicher (7) durch ein elektrochemisches Element gebildet wird.

14. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der Mittel (12) zur Überstromüberwachung des Schaltelements (5) vorgesehen sind.

15. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 14, bei der zwischen einem lastkreisseitigen Anschluß (6) des Schaltelements (5) und dem Ladungsspeicher (7) Mittel zur Spannungsbegrenzung (13) auf Betriebsspannungsniveau der Ansteuersignal- Empfängereinrichtung (8, 9, 10) vorgesehen sind.

16. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 14, bei der Mittel zur Unterspannungserkennung (14) des Schaltelements (5) vorgesehen sind.

17. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 10 oder 12 bis 16, bei der die Ansteuersignal-Empfängereinrichtung einen Signaldekoder aufweist, der zumindest einen Phototransistor (15) mit einem ersten Ausgang, einen Halbleiterschalter (20), einen Kondensator (17), eine Stromquelle (18) und einen Schmitt-Trigger (19) aufweist, wobei der Halbleiterschalter (20) mit dem ersten Ausgang des Phototransistors (15), ein erster Anschluß des Kondensators (17) mit dem Halbleiterschalter (20) und dem Schmitt- Trigger (19) verbunden ist und der zweite Ausgang des Phototransistors (15) auf gleichem Potential liegt wie ein Bezugspunkt des Schalters (20) und der zweite Anschluß des Kondensators (17).