DE19844394A1 - Zweileiter-Bussystem - Google Patents
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Abstract
Ein Zweileiter-Bussystem 1, 2 zur Übertragung von Daten zwischen Stationen 3, 4 mit Sendeschaltung 6 und Empfangsschaltung 7 soll die Stationen 3, 4 auch mit Energie versorgen, ohne daß die Energieversorgung und die Datenübertragung sich wesentlich stören. Die Energieversorgung der Stationen 3, 4 über den Bus 1, 2 erfolgt durch ein Busnetzteil 5, das eine Wechselspannung U1, U2 an den Bus 1, 2 legt. Die Stationen 3, 4 nehmen die Energie mittels eines Leistungsauskopplers 8 auf. Die Sendeschaltung 6 einer sendenden Station überlagert der Wechselspannung eine den zu übertragenden Daten entsprechende Gleichspannung, die ein Tiefpaß der Empfangsschaltung 7 einer empfangenen Station 3, 4 detektiert.
Description
Die Erfindung betrifft ein Zweileiter-Bussystem zur
Übertragung von Daten zwischen Stationen mit
Sendeschaltung und Empfangsschaltung.
Ein Zweileiter-Bussystem zur digitalen
Informationsübertragung ist in der DE 40 05 339 C2
beschrieben. Eine Ruhevorspannung zwischen den Leitern
wird mit Hilfe von Konstantstromquellen in jeder Station
erzeugt. Es ist keine zentrale Energieversorgung für die
Stationen vorgesehen.
Aus der DE-OS 20 62 713 ist eine elektronische
Aufladesteuerung bekannt, die aus einem zentralen
Steuergerät und einer Mehrzahl von mit Ladereglern
ausgerüsteten Wärmespeicheröfen besteht. Im zentralen
Steuergerät wird eine konstante Grundgleichspannung als
Versorgungsspannung für die Laderegler gebildet.
Bei bekannten Bussystemen, die einer Versorgungs-
Gleichspannung über Spannungsmodulation einen Datenfluß
aufprägen, ist von Nachteil, daß eine galvanische
Kupplung der Stationen vorliegt und die
Spannungsversorgung der Stationen von der Datenmodulation
beeinflußt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zweileiter-Bussystem
zur Übertragung von Daten vorzuschlagen, wobei über den
Bus auch die Energieversorgung der Stationen erfolgt,
ohne daß sich Energieversorgung und Datenübertragung
wesentlich stören.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Dabei
erfolgt die Energieversorgung der Stationen von dem
zentralen Busnetzteil mittels Wechselspannung. Die Daten
werden in Form eines sich den Daten entsprechend
ändernden Gleichspannungsanteils übertragen. Die
Datenübertragung kann digital oder analog sein. Die
Amplitude der Versorgungs-Wechselspannung ändert sich bei
Datenübertragungen praktisch nicht, so daß den
Informationen eine stabile Versorgungsspannung zur
Verfügung steht.
Durch die Wechselspannungs-Versorgung der Stationen ist
eine einfache galvanische Trennung der Stationen möglich.
Die Datenübertragung mittels Gleichspannungsanteil
geschieht nahezu leistungslos. Der Wirkungsgrad des
Systems ist dadurch hoch. Es entsteht wenig Verlustwärme.
die Immunität des Systems gegen elektromagnetische
Störungen ist hoch.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels.
Das Bussystem kann beispielsweise bei Hausinstallationen
zur Steuerung und Regelung von Verbrauchern,
beispielsweise Heizkörpern, eingesetzt werden.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Zweileiter-Bussystems,
Fig. 2 ein Schaltbild eines Busnetzteils,
Fig. 3 ein Schaltbild einer Station mit Sendeschaltung,
Empfangsschaltung und Leistungsauskoppler,
Fig. 4 eine Alternative zu Fig. 3,
Fig. 5 eine weitere Alternative zu Fig. 3,
Fig. 6 eine Meßschaltung zur Erläuterung der
Spannungsdiagramme nach Fig. 7 und
Fig. 7 Spannungsdiagramme.
Bei einem Bussystem (vgl. Fig. 1) ist ein Bus mit zwei
Leitern 1, 2 vorgesehen. An dem Bus liegen eine Station 3
und wenigstens eine weitere Station 4. Weitere Stationen
sind in Fig. 1 zur Vereinfachung der Darstellung nicht
gezeigt.
An die Leiter 1, 2 ist ein Busnetzteil 5 angeschlossen.
Die Stationen 3, 4 weisen eine Sendeschaltung 6, eine
Empfangsschaltung 7 und einen Leistungsauskoppler 8 auf,
die bei allen Stationen jeweils gleich aufgebaut sind.
Das Busnetzteil 5 (vgl. Fig. 2) arbeitet mit einem
Umrichter 11, der mittels phasenverschoben, wechselweise
angesteuerten Schalttransistoren T1, T2 die Gleichspannung
einer Gleichspannungsquelle Ug in eine Wechselspannung
wandelt. Die Gleichspannungsquelle Ug liegt zwischen den
Emittern der Transistoren T1, T2 und einem Mittelabgriff
einer Primärwicklung 12 eines Transformators TR1. Die
Primärwicklung 12 liegt beidendig an den
Schalttransistoren T1, T2 (vgl. Fig. 1). Die
Sekundärwicklung 13 des Transformators TR1 ist zwischen
die Leiter 1, 2 des Busses geschaltet. In Reihe zur
Sekundärwicklung 13 liegt ein Kondensator C1, der
Gleichstromkomponenten des Busses von der
Sekundärwicklung 13 fernhält und geladen wird, wenn die
unten beschriebene Diode D1 im Sendebetrieb leitend wird.
Zwischen die Leiter 1, 2 ist im Busnetzteil 5 ein
Gleichspannungs-Symmetrierglied gelegt, das aus einem
Widerstand R1 und einer Induktivität L1 besteht. Parallel
zum Symmetrierglied liegt zwischen den Leitern 1, 2 ein
Spannungsbegrenzer VDR1, beispielsweise ein Varistor.
Das Busnetzteil 5 speist somit die Leiter 1, 2 des Busses
mit symmetrischen Wechselspannungen U1, U2, wie sie im
Diagramm der Fig. 7a gezeigt sind. Vorzugsweise ist der
Spannungsverlauf trapezförmig. Die Amplitude der
Wechselspannung beträgt beispielsweise 20 V. Die Frequenz
der Wechselspannung ist größer als die Frequenz der zu
übertragenden Daten, beispielsweise etwa wenigstens
dreifach größer als die Datenfrequenz. Vorzugsweise ist
die Wechselspannungsfrequenz größer als 10 kHz und liegt
bevorzugt bei etwa 100 kHz; die Datenfrequenz liegt dann
bei etwa 10 kHz.
Der Leistungsauskoppler 8 (vgl. Fig. 3) jeder Station 3, 4
liegt mit einer Reihenschaltung eines Kondensators C2 und
einer Primärwicklung 14 eines Transformators TR2 zwischen
den Leitern 1, 2 des Busses. Der Kondensator C2 hält,
entsprechend dem Kondensator C1, auf der Datenübertragung
beruhende Gleichspannungsanteile vom Transformator TR2
ab. Eine Sekundärwicklung 15 des Transformators TR2
wandelt über einen Gleichrichter 16 und einen
Siebkondensator C3 die Wechselspannung des Busses in eine
Versorgungs-Gleichspannung Uv für die jeweilige Station
3, 4. Die Stationen 3, 4 sind durch die Übertragung der
Versorgungsenergie mittels Wechselspannung und deren
Auskopplung über die Transformatoren sowie die Abblockung
von Gleichstromanteilen des Busses. galvanisch voneinander
entkoppelt. Es ist damit eine stax~11e Energieversorgung
der Stationen 3, 4 aus dem Busnetzteil 5 gewährleistet.
Die Sendeschaltung 6 (vgl. Fig. 3) weist zwischen den
Leitern 1, 2 eine Gleichrichteranordnung mit einem
Widerstand R2 und einer Diode D1 in Reihe mit einem
Ausgangstransistor eines Optokopplers OK1 auf. An die
Eingangsseite 17 des Optokopplers OK1 sind die zu
übertragenden Daten, gegebenenfalls mit Adresse und/oder
Kodierung digital oder analog gelegt. Im
Daten-Sendebetrieb wird die Strecke R2, D1 in der der
Diode D1 entsprechenden Richtung 7 leitend. Damit wird der
Buswechselspannung ein Gleichspannungsanteil überlagert.
Die Gleichspannungs-Symmetrierung des Busses ändert sich
dabei. Die Höhe des Gleichspannungsanteils wird durch das
Verhältnis des Widerstandes R1, der die Symmetrierung
festlegt, zum Widerstand R2 bestimmt, der den der
Symmetrierung entgegenwirkenden, unsymmetrierenden
Gleichspannungsanteil festlegt.
Die Empfangsschaltung 7 (vgl. Fig. 3) weist zwischen den
Leitern 1, 2 einen Spannungsteiler aus Widerständen R3, R4
auf, wobei dem Widerstand R4 ein Kondensator C4
parallelgeschaltet ist. Der Kondensator C4 bildet mit
einem der Widerstände R3, R4 bzw. den Widerständen R3, R4
einen Tiefpaß, der den den Wechselspannungen der Leiter
1, 2 bei Datenübertragung überlagerten
Gleichspannungsanteil durchläßt. Dem Kondensator C4 ist
eine Leuchtdiode eines Optokopplers OK2
parallelgeschaltet. Dessen ausgangsseitiger
Schalttransistor empfängt an seiner Ausgangsseite 18 die
den jeweils gesendeten Daten entsprechenden
Schaltsignale, wobei diese die der Wechselspannung
überlagerten Gleichspannungsanteile sind. Die jeweilige
Station wertet über ihren Optokoppler OK2 die jeweils von
einer anderen Station gesendeten Daten aus.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist vorgesehen, daß
die Datenübertragung durch zwei Schaltzustände, nämlich
Diode D2 leitend oder nichtleitend, erfolgt. Entsprechend
wird die umgekehrt gepolte Diode des Optokopplers OK2 der
Empfangsschaltung 7 leitend oder nichtleitend.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 eignet sich für
einen Tri-State-Betrieb, bei dem drei Schaltzustände im
Sendebetrieb auftreten können. Hierfür ist ein zur Diode
D1 an die parallelgeschaltete Diode D1' an einem weiteren
Optokoppler OK1' mit einem Eingang 17' vorgesehen (vgl.
Fig. 4). Entsprechend ist in der Empfangsschaltung 7 ein
weiterer Optokoppler OK2' mit einer in Gegenrichtung zur
Empfangsdiode des Optokopplers OK2 gepolten Empfangsdiode
vorgesehen, wobei der Optokoppler OK2' einen Ausgang 18'
bildet. Sendeseitig werden nacheinander oder abwechselnd
Daten an die Eingänge 17 oder 17' gelegt. Mit dieser
Schaltung ist es möglich, für die Datenübertragung drei
Zustände zu verwenden, nämlich der Daten entsprechende
Gleichspannungsanteil ist positiv, Null oder negativ.
Fig. 5 zeigt die Möglichkeit einer analogen
Datenübertragung. Der Diode D1 der Sendeschaltung 6 ist
dort ein Widerstand 9 in Reihe geschaltet, dessen
Widerstandswert von einer von der Station erfaßten Größe,
beispielsweise einer Temperatur, abhängt. Entsprechend
ist in der Empfangsschaltung 7 dem Kondensator C4 ein
Element 10 parallelgeschaltet, das den einer analogen
Meßgröße entsprechenden analogen Gleichspannungsanteil
analog erfaßt und auswertet.
In den Fig. 4 und 5 sind die Leistungsauskoppler 8
nicht dargestellt. Sie sind auch bei den Stationen der
Ausführungsbeispiele nach den Fig. 4 und 5 vorgesehen,
soweit diese eine Versorgungs-Gleichspannung Uv
benötigen.
Fig. 6 zeigt zur Verdeutlichung der Funktionsweise eine
Meßschaltung MS am Bus 1, 2, mit der die Spannungen U1, U2
gegenüber einem Nullpunkt N gemessen werden können und
mit der die Differenzspannung U' meßbar ist. Die beiden
Wechselspannungen U1, U2 sind trapezförmig und
gegeneinander um 180° phasenverschoben (vgl. Fig. 7a). Die
Wechselspannungen U1, U2 verlaufen bezogen auf den
Nullpunkt N zwischen +10 V und -10 V, wenn keine
Datenübertragung stattfindet, also der Wechselspannung
kein Gleichspannungsanteil überlagert ist.
In Fig. 7b ist die Differenzspannung U' dargestellt, die
zwischen den Leitern 1, 2 meßbar ist. Die Amplitude der
Differenzspannung U' beträgt ausgehend von den
symmetrischen Wechselspannungen U1, U2 das Doppelte deren
Amplituden. Verlaufen die Spannungen U1 und U2
beispielsweise zwischen +10 V und -10 V, dann beträgt die
Amplitude der Differenzspannung U' 40 V (vgl. Fig. 7b).
Dieser Zustand liegt vor, wenn keine der Sendeschaltungen
an den Bus 1, 2 Daten anlegt.
Wird einer der Optokoppler OK1 mit Daten beaufschlagt,
dann wird die Diode D1 potentiell zum Leiten bereit.
Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 (vgl. Fig. 7g) bleibt
die Diode D1 aufgrund der anliegenden
Wechselspannungshalbwellen noch gesperrt. Zwischen den
Zeitpunkten t2 und t3 wird die Diode D1 aufgrund der nun
an ihr anliegenden Wechselspannungshalbwellen leitend.
Dadurch wird der Kondensator C1 geladen. In der
nachfolgenden Halbwelle der Wechselspannung, also
zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 der Fig. 7c, addiert
sich dann die Amplitude der Wechsslspannung zur Amplitude
der Kondensatorspannung. Zwischen den Zeitpunkten t3 und
t4 liegt im Beispielsfalle die Amplitude zwischen +20 V
und -20 V. Dagegen liegt zwischen den Zeitpunkten t2 und
t3, abgesehen von der Rest-Durchlaßspannung, die der
Diode D1 bei etwa 0 V.
In Fig. 7b, die die zwischen den Leitern 1, 2 anliegende
Differenzspannung U' zeigt, ist die Diode D1 bis zum
Zeitpunkt t2' nicht betriebsbereit, weil der Optokoppler
OK1 bis dahin keine Daten sendet. Wird die Diode D1 zum
Zeitpunkt t1' leitend, dann lädt sie bis zum Zeitpunkt
t2' den Kondensator C1 auf. In der Halbwelle der Bus-
Wechselspannung zwischen t2' und t3' sperrt die Diode D2.
Zum Zeitpunkt t4' geht dann die Amplitude bezogen auf den
Nullpunkt auf das für die Daten bedingte Potential von im
Beispielsfalle +40 V über. Diese Verschiebung des
Gleichspannungsanteils gegenüber der Nullinie erfaßt die
Empfangsschaltung 7. Nach den Zeitpunkt t5' folgen je
nach dem Durchlaßzustand der Diode D1 bzw. dem
Datenverarbeitungszustand des Optokopplers OK1
entsprechende Halbwellen. Der gegenüber der Nullinie der
Wechselspannung verschobene Gleichspannungsanteil enthält
die von der Sendeschaltung 6 ausgehenden Daten (zwischen
den Zeitpunkten t4' und t5'), welche die
Empfangsschaltung 7 erfaßt.
Zwischen den Zeitpunkten t1' und t4' besteht eine gewisse
Verzögerungszeit tv, die mit der Aufladung des
Kondensators C1 zusammenhängt. Diese Verzögerungszeit tv
kann in Kauf genommen werden, weil die Datenfrequenz
kleiner ist als die Frequenz der der Spannungsversorgung
dienenden Wechselspannung.
Alle Stationen 3, 4 können senden und empfangen, soweit
sie mit Sendeschaltungen und Empfangsschaltungen
ausgestattet sind. Durch entsprechende Kodierung der
Daten kann in üblicher Weise auch vorgesehen sein, daß
eine der Stationen eine bestimmte der anderen Stationen
anspricht und diese Station die empfangenen Daten nur
auswertet, wenn sie angesprochen ist.
Die Frequenz der auf dem Bus 1, 2 liegenden
Wechselspannung muß nicht konstant sein. Sie kann
moduliert werden, um verbesserte Funkschutzwerte zu
erreichen, also um von dem Bussystem möglichst wenig
Funkstörungen ausgehen zu lassen. Hierfür kann die
Wechselspannungsfrequenz bei einer Mittenfrequenz von
beispielsweise 100 kHz um ±10 kHz, also zwischen 90 kHz
und 110 kHz variiert werden, und zwar mit einer
Wiederhol-Frequenz von beispielsweise 50 Hz.
Claims (16)
1. Zweileiter-Bussystem zur Übertragung von Daten zwischen
Stationen mit Sendeschaltung und Empfangsschaltung,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Energieversorgung der Stationen (3, 4) über den Bus
(1, 2) ein Busnetzteil (5) eine Wechselspannung an den Bus
legt, die die Stationen (3, 4) mittels eines
Leistungsauskopplers (8) aufnimmt, und daß die
Sendeschaltung (6) einer sendenden Station der
Wechselspannung eine den zu übertragenden Daten
entsprechende Gleichspannung überlagert, die ein Tiefpaß
(R3, R4, C4) der Empfangsschaltung (7) einer empfangenden
Station (3, 4) detektiert.
2. Zweileiter-Bussystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Busnetzteil (5) symmetrische Wechselspannungen
(U1, U2) an die zwei Leiter (1, 2) des Busses legt.
3. Zweileiter-Bussystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Busnetzteil (5) die Wechselspannungen über einen
Transformator (TR1) an die Leiter (1, 2) des Busses legt und
der Leistungsauskoppler (8) einen Transformator (TR2) zur
Aufnahme der Wechselspannungen aufweist.
4. Zweileiter-Bussystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen die beiden Leiter (1, 2) ein Symmetrierglied
(R1, L1) zur Symmetrierung der Spannung geschaltet ist.
5. Zweileiter-Bussystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wechselspannung (U1, U2) rechteckförmig oder
trapezförmig ist.
6. Zweileiter-Bussystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Kondensator (C1) Gleichspannungskomponenten vom
Transformator (TR1) fernhält.
7. Zweileiter-Bussystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz der Wechselspannung größer als die
Frequenz der zu übertragenden Daten ist.
8. Zweileiter-Bussystem nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz der Wechselspannung wenigstens um den
Faktor 3 größer ist als die Frequenz der zu übertragenden
Daten und/oder größer ist als 10 kH.
9. Zweileiter-Bussystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz der Wechselspannung zur Verringerung von
Funkstörungen moduliert wird.
10. Zweileiter-Bussystem nach einen der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Leistungsauskoppler (8) einen Transformator (TR2)
aufweist, dem ein Kondensator (C3) vorgeschaltet ist.
11. Zweileiter-Bussystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Leistungsauskoppler (8) einen Gleichrichter (16) zur
Umwandlung der Wechselspannungen (U1, U2) in eine
Versorgungsgleichspannung (Uv) aufweist.
12. Zweileiter-Bussystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sendeschaltung (6, 9) zwischen den Leitern (1, 2) des
Busses eine Gleichrichteranordnung und ein abhängig von den
Daten geschaltetes Schaltelement (OK1) aufweist.
13. Zweileiter-Bussystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sendeschaltung (6, 9) zwischen den Leitern (1, 2) des
Busses einen Widerstand (R2) aufweist, der im Zusammenwirken
mit einem Widerstand (R1) des Symmetriergliedes (R1, L1) den
Sendedaten entsprechenden, der Wechselspannung überlagerten
Gleichspannungsanteil bestimmt.
14. Zweileiter-Bussystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Empfangsschaltung (7) zwischen den Leitern(1, 2) des
Busses einen Spannungsteiler (R3, R4) aufweist, wobei dem
einen Widerstand des Spannungsteilers ein Kondensator (C4)
zur Schaffung des Tiefpasses parallelgeschaltet ist und daß
dem Kondensator (C4) ein Schaltelement (OK2) zum Datenempfang
parallelliegt.
15. Zweileiter-Bussystem nach einen der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die den zu übertragenden Daten entsprechende
Gleichspannung ein Mittelwert (Nullwert) und eine positive
und/oder negative Gleichspannung ist.
16. Zweileiter-Bussystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die den zu übertragenden Daten entsprechende
Gleichspannung eine den Daten analoge Gleichspannung ist.
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Effective date: 20111125 |