DE19847179B4

DE19847179B4 - Schaltungsanordnung zum Erfassen einer galvanisch getrennten Spannung

Info

Publication number: DE19847179B4
Application number: DE19847179A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Engel
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2018-10-15
Also published as: DE19847179A1

Abstract

Schaltungsanordnung zum Erfassen einer galvanisch getrennten Eingangsspannung U_in unter Verwendung nur eines Komparators (12), umfassend
– eine Einrichtung (11) zum Gleichrichten der Eingangsspannung,
– eine Einrichtung (15) zur Bereitstellung der Betriebsspannung des Komparators und
– eine Einrichtung (13, 14) zur Erzeugung eines Referenzsignals,
wobei
– die Betriebsspannung und das Referenzsignal Funktionen der Eingangsspannung sind,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Komparators (12) mit einem Optokoppler (19) verbunden ist, wobei die Ausgangsspannung (U_out) des Komparators galvanisch mittels des Optokopplers (19) entkoppelt ist und der Ausgang des Komparators (12) mit dem Optokoppler (19) verbunden ist, wobei der Optokoppler so verschaltet ist, daß der Stromfluss durch die LED des Optokopplers unterbleibt, wenn die Betriebsspannung unterhalb einer vorbestimmbaren, von den Parametern des Komparators abhängigen Spannung liegt, und wobei der Strom durch die LED des Optokopplers fließt, wenn die am nicht invertierenden Eingang des Komparators zuliegende Betriebsspannung niedriger als...

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erfassen einer galvanisch getrennten Spannung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das Erfassen und hierdurch mögliche Überwachen von Spannungen ist auf vielen technischen Anwendungsgebieten eine wichtige Grundbedingung, um beispielsweise die Funktionstüchtigkeit von davon abhängigen technischen, insbesondere auch automatisierten Abläufen und Prozessen ausfallsicher gewährleisten zu können.
So ist es oft nötig, daß Spannungen innerhalb eines vordefinierten Fensters liegen und/oder ausreichend groß sein müssen, um Fehlfunktionen zugeordneter Maschinen und Anlagen in Ansprechen auf Abweichungen stets sicher auszuschließen.
Mit der Erfassung von aktuellen oder Echtzeit-Werten im Hinblick darauf, ob eine Spannung den geforderten Bedingungen genügt, können beispielsweise auch mit dieser Spannung gespeiste Übertragungsstrecken in Bezug auf etwaige unerwünschte Spannungsdifferenzen überwacht werden.
So gewinnt insbesondere im industriellen Bereich infolge der stetig zunehmenden Automatisierung und dem damit immer wichtigeren Einsatz von Feldbussystemen eine derartige Erfassung und Überwachung zunehmend an Bedeutung.
Dies trifft insbesondere auch bei der Verwendung von Ringbussystemen zu, da hierbei unter Bildung eines Rings bzw. einer Schleife eine Vielzahl von Baugruppen miteinander bzw. aneinander gekoppelt werden. Aufgrund der hierfür notwendigen, insbesondere schraub- oder steckbaren Anschluß- und Verbindungseinrichtungen kann es beispielsweise bei nicht exakt aufeinander abgestimmten Übergangswiderständen leicht zu unerwünschten Reflexionen und Spannungsdifferenzen innerhalb des Ringsystems kommen.
Bis heute wird das Erfassen der hierbei empfangenen galvanisch getrennten Spannungen üblicherweise mit Hilfe von sogenannten Fensterkomparatoren, für welchen zwei Komparatoren und ein nachgeschaltetes UND-Glied benötigt werden, durchgeführt. Festgestellt werden kann so insbesondere, ob die Spannungen den Bedingungen genügen, d.h. eine Spannung bei angeschlossenem Verbinder zu groß oder zu klein ist, oder ob der Verbinder überhaupt angeschlossen ist.
Auf diese Weise können die an die Komparatoren angelegten Vergleichsspannungen z.B. so gewählt werden, daß bei angeschlossenem Verbinder die zu erfassende Spannung zu klein ist, wenn diese zwischen beiden Vergleichsspannungen liegt, und den vorgegebenen Bedingungen genügt, wenn sie oberhalb der oberen Vergleichsspannung liegt. Da dann bei nicht angeschlossenem Verbinder die zu erfassende Spannung gleich Null ist und somit unterhalb beider Vergleichsspannungen liegt, wird auch dieser Zustand sicher erkannt.
Nachteilig ist hierbei jedoch, daß für die Komparatoren, mit welchen ein Fensterkomparator aufgebaut ist, im wesentlichen stets eine eigene Spannungsversorgung für deren Betrieb bzw. für die Bereitstellung von Vergleichsspannungen vorhanden sein muß.
Wird eine Schaltung nach dem Stand der Technik mit nur einem Komparator verwendet, so kann nach dem vorstehenden Beispiel nicht erkannt werden, ob der Verbinder zwar angeschlossen und die Spannung zu klein ist oder ob der Verbinder nicht angeschlossen ist. Eine direkte Erfassung des Zustandes "Verbinder ist nicht angeschlossen" ist somit in diesem Fall nicht möglich, da nur eine Vergleichsspannung bereitgestellt werden kann. Neben einer eigenen Spannungsversorgung des Komparators ist es bei einer derartigen Schaltung daher bisher notwendig, zusätzlich weitere Signale, beispielsweise mit Hilfe eines zu betätigenden Tasters, einzuführen, um die Verbindung als solche zu erkennen.
Die US 4,600,810 beschreibt ein Testgerät für Telefonanschlüsse, welches eine Schaltung mit einem Komparator aufweist, wobei die Betriebsspannung des Komparators von einem an zwei Zeitungen des Telefonanschlusses angeschlossenen Brückengleichrichter bereitgestellt wird. Mittels einer Zener-Diode und einem mit dieser in Reihe geschalteten Widerstand zwischen den Ausgängen des Gleichrichters wird eine Referenzspannung für den Komparator erzeugt. Der Komparator vergleicht die Referenzspannung mit dem Spannungswert an einem ebenfalls an die Ausgänge des Gleichrichters angeschlossenen Spannungsteiler.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Schaltungsanordnung der gattungsbildenden Art bereitzustellen, welche insbesondere einfacher und somit störungsunanfälliger ist und die selbsttätig nur bei einer tatsächlich vorhandenen zu erfassenden Spannung in Kraft trifft.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gegeben.
Bereitgestellt wird eine Schaltungsanordnung zum Erfassen einer galvanisch getrennten Spannung unter Verwendung eines Komparators, einer Einrichtung zum Gleichrichten der Spannung, einer Einrichtung zur Bereitstellung der Betriebsspannung des Komparators und einer Einrichtung zur Erzeugung eines Referenzsignals, wobei die Erfindung vorsieht, daß die Betriebsspannung und das Referenzsignal Funktionen der erfaßten Spannung sind.
So ist es hierdurch erstmals möglich, mit nur einem Komparator eine derartige Erfassung durchzuführen, ohne dabei auf ein zusätzliches weiteres Signal zurückgreifen zu müssen, um eine zu kleine Spannung von einer nicht vorhandenen Spannung direkt unterscheiden zu können.
Von Vorteil ist ferner, daß eine separate Spannungsversorgung für Komparatoren eingespart wird, und der Betrieb des Komparators unmittelbar an eine erfaßte Spannung gekoppelt ist. Da die Schaltungsanordnung hierdurch weniger komplex ist und ferner einen DC/DC Wandler für die Spannungsversorgung nicht braucht, ist der Aufbau gegenüber dem Stand der Technik hinsichtlich der Störungsanfälligkeit und Funktionstüchtigkeit insgesamt wesentlich einfacher und betriebssicherer.
In vorteilhafter Weise hat es sich in der Praxis bereits als ausreichend erwiesen, die Referenzspannung auf einfachste Art über einen Vorwiderstand und einer Zener- oder Z-Diode aus der erfaßten, gleichgerichteten Spannung zu erzeugen.
Ferner hat es sich in bevorzugter Weiterbildung bewährt, die Betriebsspannung des Komparators über einen Spannungsteiler an den nicht-invertierenden Komparatoreingang zu schalten.
Um die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für eine Vielzahl von Verbindungseinrichtung, bei denen eine ankommende galvanisch getrennte Spannung erfaßt werden soll, zu gewährleisten, ist darüber hinaus vorgesehen, daß die Gleichrichtereinrichtung einen Brückengleichrichter zum Schutz der Schaltungsanordnung gegen Verpolung umfaßt.
Eine Funktionsanzeige wird zusätzlich wesentlich verbessert, wenn die Schaltungsanordnung in bevorzugter Weiterbildung eine Einrichtung zur Erzeugung einer Hysterese im Bereich des Ausschaltpunktes umfaßt.
Um die Übertragung möglicher Störungen im wesentlichen auszuschließen, ist es zweckmäßigerweise vorgesehen, die Ausgangsspannung als elektrisch bzw. galvanisch entkoppelte Ausgangsspannung bereitzustellen. In der Praxis hat sich hierfür das Verbinden des Komparatorausgangs mit einem Optokoppler bewährt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein vereinfacht dargestelltes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
2 eine mit der Schaltung nach 1 erzeugte Übertragungsfunktion,
3 ein vereinfacht dargestelltes Schaltbild einer Ausführungsform des Standes der Technik mit zwei Komparatoren,
4 eine mit der Schaltung nach 3 erzielbare Übertragungsfunktion und
5 ein vereinfacht dargestelltes Schaltbild einer zweiten Ausführungsform des Standes der Technik mit einem Komparator.
Um die Unterschiede einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach 1 gegenüber dem Stand der Technik deutlicher in der nachfolgenden Beschreibung hervorzuheben, wird zunächst auf den Stand der Technik Bezug genommen.
Hierzu zeigt 3 skizzenhaft eine Schaltungsanordnung mit einem Fensterkomparator 1, die üblicherweise bisher zur Überwachung einer an einem Verbinder 2 empfangenenen bzw. ankommenden galvanisch getrennten Spannung U_E verwendet wird.
Der Fensterkomparator 1 setzt sich im wesentlichen aus zwei Komparatoren 1a und 1b zusammen. Am nicht-invertierenden Eingang des Komparators 1a ist eine obere Vergleichsspannung U_1a und am invertierenden Eingang des Komparators 1b eine untere Vergleichsspannung U_1b angelegt.
Die zu überwachende Spannung U_E liegt, wie bei 3 zu sehen ist, an den zwei verbleibenden Eingängen des Fensterkomparators an.
Die beiden Ausgänge der Komparatoren 1a und 1b sind über ein NAND-Gatter 3 miteinander verknüpft. Der Ausgang des NAND-Gatters ist über einen Widerstand 4 mit der Leuchtdiode 5 eines Optokopplers 6 verschaltet.
Ferner ist für die Spannungsversorgung der Komparatoren und zur Bereitstellung der Vergleichsspannungen U_1a und U_1b die an sich bekannte Verwendung eines DC/DC-Wandlers 7 notwendig.
Wenn der Verbinder 2 nicht angeschlossen ist, ist die Spannung U_E folglich gleich Null. Der Ausgang des NAND-Gatters 3 liegt somit auf "High", es fließt ein Strom über den nachgeschalteten Widerstand 4 und die Leuchtdiode 5 des Optokopplers 6, so daß die Ausgangsspannung U_A auf "Masse gezogen" bleibt.
Wird der Verbinder 2 geschlossen, liegt eine Spannung U_E an, die ungleich Null ist. Liegt die Spannung U_E zwischen den beiden Vergleichsspannungen U_1b und U_1a, bedeutet dies, daß die angelegte Spannung U_E zu klein ist. Für diesen Fall liegt der Ausgang des NAND-Gatter 3 folglich auf "LOW", und die Ausgangsspannung U_A steigt auf Vcc an.
Die Spannung U_E wird als ausreichend angesehen, wenn sie nicht nur oberhalb der Vergleichsspannung U_1b sondern auch oberhalb der Vergleichsspannung U_1a liegt. Der Ausgang des NAND-Gatters 3 wird dann wieder auf "High" geschaltet und die Ausgangsspannung zurück auf Masse gezogen.
Mit der Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik läßt sich somit ein wie bei 4 dargestellter Signalverlauf der Ausgangsspannung U_A erzeugen.
Die Bereiche "A", "B" und "C" stehen somit jeweils für "Verbinder nicht angeschlossen", "Verbinder angeschlossen, zu geringe Spannung" bzw. "Verbinder angeschlossen, ausreichende Spannung".
5 skizziert eine weitere, in der Funktion entsprechende Schaltung des Standes der Technik. Anders als bei 3 wird jedoch nur ein Komparator verwendet. Da somit auch nur eine Vergleichsspannung anlegbar ist, kann der Zustand "Verbinder nicht angeschlossen" nicht direkt erkannt werden. Um zu erkennen, ob der Verbinder 2' angeschlossen ist, bedarf es daher eines zusätzlichen Signals.
Bei der dargestellten Schaltung des Standes der Technik wird hierzu über zusätzliche Kontakte des Verbinders 2' eine Brücke geschlossen. Der mit 8 gekennzeichnete Leitungspfad liegt somit bei nicht angeschaltetem Verbinder auf "HIGH" und bei angeschaltetem Verbinder auf "LOW". Nach der UND-Verknüpfung des negierten Signals des Leitungspfads 8 und des Komparatorausgangs liegt der Ausgang des UND-Gliedes 3' folglich bei nicht angeschlossenem Verbinder auf "LOW", bei angeschlossenem Verbinder und zu kleiner Spannung auf "HIGH" und bei ausreichender Spannung wieder auf "LOW". Die Ausgangsspannung U_A ist ähnlich wie bei 3 mit Hilfe eines Optokopplers 6' elektrisch bzw. galvanisch entkoppelt. Über die nunmehr ausgangsseitig angeordnete Kollektorschaltung stellt sich wiederum ein der 4 entsprechender Signalverlauf der Ausgangsspannung U_A ein.
Eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist bei 1 skizziert. Vergleichbar mit den zuvor beschriebenen Schaltungen des Standes der Technik ist auch die beispielhafte Schaltungsanordnung nach 1 dazu vorgesehen, eine an einen nicht dargestellten, der Einfachheit halber insbesondere schraub- oder steckbaren Verbinder ankommende galvanisch getrennte Spannung U_in zu erfassen.
Zum Gleichrichten der Spannung U_in wird bei der Schaltung nach 1 ein Brückengleichrichter 11 eingesetzt, dem eine Kapazität C₁ folgt. Der Brückengleichrichter dient insbesondere dazu, die Schaltungsanordnung insgesamt gegen eine Verpolung zu schützen. Hierdurch ist es in der Praxis möglich im wesentlichen unabhängig vom Verbindertypus den störungsfreien Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltung zu gewährleisten.
Ist jedoch durch die spezielle Ausbildung bzw. Gestaltung des Verbinders ein Verpolen ausgeschlossen, kann auf den Brückengleichrichter 11 verzichtet werden, wobei der Erhalt einer positiven Halbwelle unter Verwendung einer einfachen Gleichrichterdiode sichergestellt werden kann.
Die Schaltung umfaßt ferner einen Komparator 12 an dessen invertierenden Eingang eine Referenzspannung gelegt wird. Hierzu wird die gleichgerichtete Eingangsspannung über einen Vorwiderstand 13 auf eine Zener- oder Z-Diode 14 gegeben und die so erzeugte Referenzspannung, wie bei 1 zu sehen, auf den invertierenden Komparatoreingang geschaltet.
Darüber hinaus wird die Betriebsspannung des Komparators 12 über einen Spannungsteiler 15 auf den nicht-invertierenden Eingang des Komparators 12 geschaltet, so daß die Betriebsspannung mit der Referenzspannung verglichen werden kann.
Ferner kann mit Hilfe des Spannungsteilers 15 die Ausschaltschwelle des Komparators 12 vorgegeben werden, bei der die Ausgangsspannung U_out wieder zu Null wird. Beispielsweise kann so bestimmt werden, daß ab einer Eingangsspannung von 12 V, bei einer maximalen Betriebsspannung von 30 V, der Ausgang des Komparators auf "HIGH" geschaltet wird. Die Ausgangsspannung U_out ist mit Hilfe eines Optokopplers 19 wiederum galvanisch bzw. elektrisch entkoppelt.
Ein mit dem Ausgang des Komparators 12 und dem nicht-invertierenden Eingang gekoppelter Widerstand 16 erzeugt im Ausschaltpunkt eine Hysterese, so daß stets eine sichere Funktionsanzeige gegeben ist.
Liegt keine Spannung U_in an, kann folglich auch keine Betriebsspannung des Komparators 12 bereitgestellt werden, und der Komparator arbeitet nicht. Ein solcher Zustand, bei dem der Komparator keine Spannungsversorgung erhält, liegt z.B. vor, wenn der Verbinder nicht angeschlossen ist. Das Erkennen dieses Zustandes ist somit durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sichergestellt.
Wird an die Schaltung eine von 0V aus ansteigende Spannung U_in angelegt, d.h. der Verbinder ist angeschlossen, fängt der Komparator 12 ab einer vorbestimmbaren Spannung an zu arbeiten. Diese Spannung ist im wesentlichen sowohl von den Parametern des Komparators 12 als auch von der vorgeschalteten Diode abhängig.
So lange die Betriebsspannung des nicht-invertierenden Eingangs unterhalb der am invertierenden Komparator angelegten Referenzspannung liegt, ist der Ausgang des Komparators niederohmig und über einen Widerstand 17 und eine LED 18 des dem Komparator 12 nachgeschalteten Optokopplers 19 beginnt ein Strom zu fließen. Über die am Optokoppler 19 ausgangsseitig angeordnete Kollektorschaltung steigt die Ausgangsspannung U_out langsam auf Vcc an.
Der Anstieg der Ausgangsspannung hängt im wesentlichen von den Übertragungsparametern des Optokopplers 19 ab, wobei die Einschaltschwelle in bestimmten Grenzen durch den Strom beeinflußbar ist, der durch die LED 18 des Optokopplers 19 fließt.
Übersteigt die am nicht-invertierenden Komparatoreingang angelegte Betriebsspannung die Referenzspannung, wird der Ausgang des Komparators sprungartig hochohmig und der Stromfluß durch die LED 18 des Optokopplers 19 wird unterbrochen. Als Folge hiervon wird der Ausgangstransistor des Optokopplers 19 ebenfalls hochohmig und die Ausgangsspannung U_out wird über den Widerstand 20 auf Nullpotential gezogen.
Ein mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzeugter Spannungsverlauf ist beispielhaft bei 2 skizziert.
Fällt die Betriebsspannung wieder unter die Referenzspannung steigt die Ausgangsspannung U_out aufgrund der mit dem Widerstand 16 erzeugten Hysterese mit einer Verzögerung wieder an.
Mit der erfindungsgemäßen Schaltung lassen sich beispielsweise Spannungen mit nur einem Komparator ohne zusätzlich eingespeiste Signale sowie ohne auf den Einsatz einer separaten Spannungsversorgung für den Komparator zurückgreifen zu müssen erfassen und folglich auf einfachste Art überwachen. Da der Einsatz eines Gleichstromwandler vermieden wird, ist insbesondere die Störungsanfälligkeit einer solchen Schaltung wesentlich vermindert.

Claims

Schaltungsanordnung zum Erfassen einer galvanisch getrennten Eingangsspannung U_in unter Verwendung nur eines Komparators (12), umfassend – eine Einrichtung (11) zum Gleichrichten der Eingangsspannung, – eine Einrichtung (15) zur Bereitstellung der Betriebsspannung des Komparators und – eine Einrichtung (13, 14) zur Erzeugung eines Referenzsignals, wobei – die Betriebsspannung und das Referenzsignal Funktionen der Eingangsspannung sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Komparators (12) mit einem Optokoppler (19) verbunden ist, wobei die Ausgangsspannung (U_out) des Komparators galvanisch mittels des Optokopplers (19) entkoppelt ist und der Ausgang des Komparators (12) mit dem Optokoppler (19) verbunden ist, wobei der Optokoppler so verschaltet ist, daß der Stromfluss durch die LED des Optokopplers unterbleibt, wenn die Betriebsspannung unterhalb einer vorbestimmbaren, von den Parametern des Komparators abhängigen Spannung liegt, und wobei der Strom durch die LED des Optokopplers fließt, wenn die am nicht invertierenden Eingang des Komparators zuliegende Betriebsspannung niedriger als die Referenzspannung und der Ausgang des Komparators, somit niederohmig ist, und wobei der Stromfluß durch die LED (18) des Optokopplers (19) unterbrochen wird, wenn die am nicht-invertierenden Komparatoreingang angelegte Betriebsspannung die Referenzspannung übersteigt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Referenzsignals einen Vorwiderstand (13) und eine Z-Diode (14) umfaßt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bereitstellung der Betriebsspannung einen Spannungsteiler (15) umfaßt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Gleichrichter einen Brückengleichrichter (11) zum Schutz der Schaltungsanordnung gegen Verpolung umfaßt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (16) zur Erzeugung einer Hysterese im Ausschaltpunkt.