DE19844394A1 - Zweileiter-Bussystem - Google Patents

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.