DE19911133C2 - Trennschaltkreis - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Trennschaltkreis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Trennschaltkreise oder Trennverstärker dienen zur Signalübertragung zwischen Meßwertgebern und Meßeingängen von Anzeige- oder Steuergeräten unterschiedlicher Art. Das zu übertragende Signal kann eine von dem Meßwertgeber ausgegebene Spannung oder eine Stromstärke sein. Es gibt verschiedene Normen, die Spannungssignale zwischen 0 und 10 V oder zwischen 2 und 10 V oder Stromstärkensignale von 0 bis 20 mA oder von 4 bis 20 mA vorsehen.

Trennschaltkreise mit einem Optokoppler zwischen Eingangskreis und Ausgangskreis besitzen den Vorteil hoher Übertragungsbandbreite und hoher Spannungsfestigkeit. Dieser letztere Vorteil ist jedoch dann nicht in idealer Weise erfüllt, wenn sie durch die Einflüsse einer Hilfsstromversorgung beeinträchtigt wird. Dies ist bei solchen Trennschaltkreisen der Fall, wie sie, der eingangs genannten Art entsprechend, aus beispielsweise der US 4 752 693 und der EP 0 139 210 A2 bekannt geworden sind. Bei diesen bekannten Trennschaltkreisen ist außer dem Steuersignaleingang jeweils ein Eingang für die stabilisierte Hilfsstromversorgung vorgesehen und auch notwendig. Dies bedingt nicht nur die Verringerung der Spannungsfestigkeit, sondern auch eine relativ hohe Verlustleistung. Des Weiteren besteht eine relativ hohe Temperaturabhängigkeit, die im Allgemeinen nur durch aufwendige Schaltungen, erhöhte Kosten und erhöhten Energieverbrauch zu kompensieren sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Trennschaltkreis der eingangs genannten Art zu schaffen, der kompakt und einfach aufgebaut ist, der bei geringem Energieverbrauch einen minimalen Temperaturgang aufweist und dessen Eingangskreis seinen minimalen Energiebedarf eigenständig aus dem Steuersignal deckt und damit rückwirkungsfrei mit den verschiedensten Ausgangskreisen kombiniert werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Trennkreis der genannten Art die im Anspruch 1 angegeben Merkmale vorgesehen.

Unter einer steuerbaren Zenerdiode wird hier ein elektronisches Bauelement bzw. eine elektronische Schaltung verstanden, die a) drei im Folgenden als Kollektoranschluss, Emitteranschluss und Referenzeingang bezeichnete Anschlüsse besitzt und eine stark nichtlineare Strom-Spannungskennlinie von Kollektor- und Emitteranschluss aufweist und die b) der einer herkömmlichen Zenerdiode darin ähnelt, dass sie eine Schwellspannung aufweist, unterhalb derer sie nur einen geringen Strom durchlässt, dass aber oberhalb dieser Schwellspannung der Stromfluss stark mit der Spannung ansteigt. Der Wert dieser Schwellspannung ist abhängig von der Spannung zwischen Referenzeingang und Emitteranschluss der steuerbaren Zenerdiode. Wenn im Folgenden von Zenerdioden die Rede ist, so ist darunter, wenn nichts Gegenteiliges gesagt ist, eine steuerbare Zenerdiode zu verstehen.

Die Reihenschaltung des Senders des Optokopplers mit der ersten steuerbaren Zenerdiode des erfindungsgemäßen Trennkreises führt dazu, dass der Stromfluss durch den Sender nahezu unabhängig von dessen spannungs- und temperaturabhängigen Eingangswiderstand ist und im Wesentlichen durch die steuerbare Zenerdiode bestimmt wird. Um deren im Vergleich zum Sender bereits geringen Temperaturgang zu kompensieren, ist die zweite steuerbare Zenerdiode im Eingangskreis zur Reihenschaltung aus Sender und erster steuerbarer Zenerdiode parallel geschaltet. Die zweite steuerbare Zenerdiode begrenzt und steuert die Arbeitsspannung an der Reihenschaltung aus erster steuerbarer Zenerdiode und Sender. Wenn eine Temperaturänderung zu einem höheren Spannungsabfall an der zweiten Zenerdiode führt, wächst der an der ersten Zenerdiode in der gleichen Richtung und kompensiert so die Stromdriften durch den Sender des Optokopplers. Mit anderen Worten, die erste steuerbare Zenerdiode dient zur Beseitigung des Einflusses des nichtlinearen Eingangswiderstandes des Optokopplers und zur aktiven Kompensation des Temperaturganges der Übertragungsfunktion des Optokopplers sowie zur Erhöhung der Gesamtverstärkung des Steuerregelkreises und die zweite steuerbare Zenerdiode dient zur Ableitung der notwendigen Steuerspannung aus dem Strom- Steuersignal sowie ggf. zur Linearisierung der Übertragungsfunktion des gesamten Eingangskreises.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 sind bevorzugt die beiden steuerbaren Zenerdioden baugleich oder besitzen zumindest einen identischen Temperaturgang, um ihren im Vergleich zum Sender schon geringen Temperaturgang zu kompensieren.

Mit den Merkmalen gemäß Anspruch 3 ist erreicht, dass die zweite steuerbare Zenerdiode den gesamten Spannungsabfall auf der Spannungsteilerkette festlegt. Dabei ist es zweckmäßig, die Merkmale gemäß Anspruch 4 vorzusehen. Mit den Merkmalen gemäß Anspruch 5 ist erreicht, dass ein der Leuchtstärke des Senders proportionaler Photostrom durch diesen Empfänger das Potential am Referenzeingang gleichsinnig mit einem eingeprägten Eingangsstrom variieren lässt. Wenn dabei die Merkmale gemäß Anspruch 6 vorgesehen sind, ist erreicht, dass ein Anstieg dieser Spannung eine Verringerung der Stromaufnahme durch die zweite steuerbare Zenerdiode und, im Gegenzug, einen vermehrten Stromfluss durch den Sender und die erste steuerbare Zenerdiode bewirkt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 7-17.

Fig. 1 und 2 zeigen Schaltbilder von zwei Aus­ gestaltungen von Eingangskreisen eines erfindungsgemäßen Trenn­ schaltkreises;

Fig. 3 und 4 zeigen Schaltbilder von zwei Aus­ gestaltungen von Ausgangskreisen, die jeweils mit einem der Eingangskreise aus Fig. 1 oder 2 zu einem Trennschaltkreis kom­ biniert werden können;

Fig. 5 zeigt ein Schaltbild eines Betriebsspan­ nungsschalters für einen Ausgangskreis; und

Fig. 6 zeigt ein schematisches Schaltbild einer bekannten steuerbaren Zenerdiode.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines Eingangskreises, der zur Um­ setzung von Normsignalen mit Stromstärkewerten von 4 bis 20 mA ausgelegt ist. Er hat zwei Anschlüsse 1 und 2 für den Signal­ strom. Zwei Widerstandsketten aus Widerständen r6, r3, r2 bzw. r8, r7, r1 erstrecken sich zwischen den Anschlüssen 1 und 2. Eine Diode n1 ist als Verpolsicherung zwischen den Anschlüssen vorgesehen.

Eine Sender-Diode d1 eines Optokopplers u1 ist einerseits an einen Punkt 13 zwischen den Widerständen r3 und r6 und anderer­ seits an den Kollektoranschluß 18 einer ersten steuerbaren Ze­ nerdiode u3 angeschlossen. Ihr Referenzeingang 16 liegt an einem Punkt 14 zwischen den Widerständen r7 und r8; ihr Emitter­ anschluß 20 ist, wie der einer zweiten steuerbaren Zenerdiode u2, über den Widerstand r1 mit dem Anschluß 1 verbunden.

Eine Empfänger-Photodiode d2 ist zwischen den Referenzeingang 17 der zweiten Zenerdiode u2 und den Anschluß 2 geschaltet. Eine regelbare Widerstandskette r4, r5 verbindet den Referenzeingang 17 mit einem Punkt 15 zwischen den Widerständen r2 und r3.

Kondensatoren k1, k2 sind zur Schwingungsdämpfung zwischen die Referenzeingänge 16, 17 und die Kollektoranschlüsse 18, 19 der steuerbaren Zenerdioden u3, u2 geschaltet.

Die steuerbaren Zenerdioden u2, u3 sind vom kommerziell verfüg­ baren Typ ZHT431, von dem ein Prinzipschaltbild in Fig. 6 ge­ zeigt ist.

Ein eingeprägter Eingangsstrom fließt vom Anschluß 2 über die Widerstände r6, r3, r2 und parallel dazu über die Widerstände r8, r7, r1 zum Anschluß 1. Die Mindeststärke dieses Stroms von 4 mA ist für den Betrieb des Eingangskreises ausreichend. Durch die Spannungsfälle an den Widerständen r2 und r1 + r7 herrschen an den Referenzeingängen 16, 17 der steuerbaren Zenerdioden u2 und u3 positive Spannungen.

Überschreiten ab einem bestimmten Eingangsstrom nun diese Span­ nungen die jeweiligen Eingangsschwellwerte der beiden steuerbaren Zenerdioden u2, u3, so werden diese leitend. Es fließt nun ein zusätzlicher größerer Strom vom Anschluß 2 über die zweite Zenerdiode u2 und parallel zu dieser über den Widerstand r6, die Sender-Diode d1 des Linear-Optokopplers u1 und die erste Zenerdiode u3, über den gemeinsamen Widerstand r1 zum Anschluß 1. Dabei ist der Strom durch die Sender-Diode d1, da sich diese am Kollektoranschluß 18 der Zenerdiode u3 befindet, nahezu unabhängig von ihrem spannungs- und temperaturabhängigen Eigenwiderstand.

Der Stromfluß über die Sender-Diode d1 läßt diese aufleuchten, die beiden in Sperrichtung betriebenen Empfänger-Photodioden d2, d3 des Linear-Optokopplers u1 werden daraufhin leitend. Die Photodiode d3 gehört zum Ausgangskreis, ihre Anordnung und Fun­ ktion wird an späterer Stelle behandelt.

Durch den an dem gemeinsamen Widerstand r1 entstehenden Span­ nungsfall sinkt die positive Spannung zwischen dem Referenzein­ gang 17 und dem Emitteranschluß 21 der Zenerdiode u2, der Strom durch die Zenerdiode u2 wird kleiner, und der Spannungsfall zwischen ihren Anschlüssen 19 und 21 steigt. Dieser Spannungs­ abfall ist der gleiche wie an den Widerständen r8 und r7, wes­ wegen auch das Potential am Punkt 14 steigt und der Strom durch die erste steuerbare Zenerdiode u3 sich vergrößert. Damit erhöht sich, bedingt durch die höhere Emission der Sender-Diode d1, der Photostrom der beiden Empfänger-Dioden d2, d3 des Linear- Optokopplers u1.

Der Spannungsfall an der Reihenschaltung der Widerstände r5 und r4 steigt, die Spannung am Referenzeingang 17 von u2 wird wieder positiver, der Strom durch u2 nimmt zu, der durch u3 nimmt dadurch ab usw. Es stellt sich ein stationärer Zustand ein, der mit Hilfe des Trimmers r5 abstimmbar ist.

Durch den so entstandenen Regelkreis, in dem am gemeinsamen Widerstand r1 eine dem eingeprägten Steuerstrom proportionale Steuerspannung und an der Reihenschaltung der Widerstände r5 und r4 eine linearisierende Gegenkopplungsspannung entsteht, folgt, bedingt durch die hohe Verstärkung der steuerbaren Zenerdioden u2, u3 der Photostrom der beiden Empfänger-Dioden d2, d3 dem eingeprägten Eingangsstrom streng proportional.

Der ohnehin minimale Temperaturgang (50 ppm) der beiden identi­ schen steuerbaren Zenerdioden u2 und u3 wird, da die zweite u2 als Parallelkreis und die erste u3 als Serienkreis im Regelkreis liegt, nahezu eliminiert. Der Temperaturgang des Linear- Optokopplers u1 wird durch die Rückführung über den Photostrom seiner Empfänger-Diode d2 weitestgehend korrigiert. Diese Kor­ rektur wird durch eine geringfügige vom Steuerstrom der Sender- Diode d1 abgeleitete, in den Regelkreis eingefügte Strommit­ kopplung durch die am Widerstand r6 abfallende Spannung, vor allem bei höheren Eingangsströmen, noch verbessert.

Zur fast vollständigen Kompensation des noch verbleibenden Tem­ peraturganges des Eingangskreises wird ein Teil der temperatur­ abhängigen Durchlaßspannung der Sender-Diode d1 über den Wider­ stand r9 auf den Referenzeingang 16 der ersten Zenerdiode u3 geführt, wodurch sich deren Durchlaßspannung mit steigender Temperatur leicht erniedrigt. Dies führt zu einer leichten Zu­ nahme des Versorgungsstroms der Sender-Diode u1, was die Abnahme ihres Wirkungsgrads kompensiert.

Am Ausgang des Linear-Optokopplers u1, d. h. an den Klemmen der Empfänger-Diode d3, steht somit zur Steuerung des Ausgangskrei­ ses ein nahezu temperaturunabhängiger, dem an den Anschlüssen 1 und 2 eingeprägten Eingangsstrom streng proportionaler Photo­ strom zur Verfügung.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines Eingangsschalt­ kreises. Auch dieser Eingangskreis ist für die Verarbeitung von Normsignalen mit Stromstärken von 4 bis 20 mA ausgelegt und besitzt keine eigene Energiequelle.

Zwei Widerstandsketten aus Widerständen r43, r47, r45, r44 bzw. r46, r48 sowie eine Diode n9 als Verpolsicherung erstrecken sich zwischen Anschlüssen 1 und 2. Eine Sender-Diode d1 eines Optokopplers u1 ist einerseits an einen Punkt 13 zwischen den Widerständen r43 und r47 der ersten Widerstandskette und ande­ rerseits an den Kollektoranschluß 18 einer ersten steuerbaren Zenerdiode u11 angeschlossen, so daß ein Versorgungsstrom der Sender-Diode d1 über den Widerstand r43 fließt. Der Emitteran­ schluß 20 der ersten Zenerdiode u11 liegt am Anschluß 1, ihr Referenzeingang 16 ist mit einem Punkt 14 zwischen den Wider­ ständen r46, r48 der zweiten Widerstandskette verbunden, aller­ dings abweichend von der Ausgestaltung der Fig. 1 über eine einstellbare Widerstandskette r42, r50. Der Punkt 14 ist über einen Widerstand r49 an den Kollektoranschluß 18 gekoppelt. Außerdem ist eine Empfänger-Diode d2 des Optokopplers u1 zwi­ schen den Referenzeingang 16 und den Anschluß 1 geschaltet.

Eine zweite steuerbare Zenerdiode u10 liegt mit ihrem Kollek­ toranschluß 19 am Anschluß 2, Referenzeingang 17 und Emitter­ anschluß 21 sind jeweils mit Punkten 22, 23 der ersten Wider­ standskette zwischen den Widerständen r47 und r45 bzw. r45 und r44 verbunden.

Kondensatoren k14 und k15 zwischen den Referenzeingängen und den Kollektoranschlüssen der steuerbaren Zenerdioden u10, u11 unterdrücken Eigenschwingungen des Eingangskreises.

Ein eingeprägter Eingangsstrom fließt vom Anschluß 2 zu einem ersten Teil über die aus den Widerständen r45, r47, r43 und der zweiten steuerbaren Zenerdiode u10 gebildete Stabilisatorschal­ tung und den Widerstand r44 zum Anschluß 1. Die Widerstände sind so dimensioniert, daß die Zenerspannung der Zenerdiode u10 auf 3,3 V festgelegt ist. Parallel zu diesem Teilstrom fließt der restliche Eingangsstrom über den aus den Widerständen r48, r46 bestehenden Spannungsteiler. Ein Versorgungsstrom der Sender- Diode d1 des Linear-Optokopplers u1 zweigt vom Punkt 13 ab und fließt über die erste steuerbare Zenerdiode u11 zum Anschluß 1.

Die am Punkt 14 anliegende Spannung gelangt über die Widerstände r42 und r50 auf den Referenzeingang der ersten Zenerdiode u11.

Überschreitet diese Spannung die Schwellspannung der ersten Zenerdiode u11, so wird diese leitend, die Sender-Diode d1 emi­ ttiert, die in Sperrichtung betriebene Empfänger-Photodiode d2 wird leitend, und der nun durch sie fließende Photostrom ruft an der einstellbaren Widerstandskette r50, r42 und den Widerständen r48, r46 eine Rückführspannung hervor, durch welche die am Punkt 14 anstehende Steuerspannung vermindert wird.

Der Strom durch die Sender-Diode d1 und damit auch der Photo­ strom durch die Empfänger-Photodiode d2 sinken usw..

Dieser Regelkreis bewirkt, daß der Photostrom der Empfänger- Photodiode d2 - und infolgedessen auch derjenige der dem Aus­ gangskreis angehörenden, identischen Empfänger-Photodiode d3 des Optokopplers u1 proportional zum Eingangsstrom ist.

Die Rückführung der temperaturabhängigen Abfallspannung der Sender-Diode d1 über den Widerstand r49 auf den Spannungsteiler r48, r46 und damit in abgeschwächtem Ausmaß auch auf den Refe­ renzeingang 16 läßt den Strom durch die erste Zenerdiode u11 und damit auch durch die Sender-Diode d1 mit der Erhöhung der Umgebungstemperatur ansteigen. Dem durch Temperaturerhöhungen entstehende Emissionsabfall der Sender-Diode d1 wird so entge­ gengewirkt.

Bedingt durch die temperaturabhängige Rückführung über r49 und die Rückführung des Photostromes erhöht sich der Strom durch die Sender-Diode d1 und damit auch durch den Widerstand r43 mit der Erhöhung der Umgebungstemperatur.

Der zur Kompensation des mit steigender Temperatur abfallenden Wirkungsgrads erhöhte Versorgungsstrom der Sender-Diode d1 führt zu einem vermehrten Spannungsabfall am Widerstand r43. Dies läßt die Zenerspannung von u10 und damit auch die Spannung am Referenzeingang 16 von u11 zunehmen, wodurch die Temperatur­ abhängigkeit des Eingangskreises vor allem bei höheren Ein­ gangsströmen weiter vermindert wird.

Der Eingangswandler nach Fig. 2 zeichnet sich aus durch seinen geringen Spannungsabfall von maximal 4 V anstelle von bis zu 5,3 V bei der Schaltung nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine erste Ausgestaltung eines Ausgangskreises eines Trennschaltkreises nach der Erfindung. Der Ausgangskreis ist ausgelegt für die Erzeugung von Normsignalen mit Stromstär­ ken von 4 bis 20 mA. Er verfügt über keine eigene Stromversor­ gung. Die benötigte Betriebsenergie kann entweder von einem angeschlossenen Gerät mit aktivem Meßeingang bezogen werden, das an seinem Meßeingang eine Betriebsspannung bereitstellt, oder es kann eine Versorgungsschaltung, z. B. über einen Schalter der in Fig. 5 gezeigten Art, in eine Ader einer Verbindungsleitung zwischen Ausgangskreis und Gerät eingegliedert werden.

Der Ausgangskreis läßt sich auffassen als unterteilt in einen Spannungsregler, der aus einer an den Anschlüssen 3, 4 des Aus­ gangskreises anliegenden, nicht festgelegten Versorgungsspan­ nung, die z. B. im Bereich von 6 bis 24 V liegt, eine feste Referenzspannung ableitet, und einen Stromregler, der eine Emp­ fänger-Diode d3 eines Linear-Optokopplers u1 enthält und, mit der Referenzspannung versorgt, den Stromfluß zwischen den An­ schlüssen 3, 4 proportional zum Photostrom der Empfänger-Diode regelt.

Für die Beschreibung wird zunächst angenommen, daß der Ein­ gangswandler stromlos sei, so daß die Empfänger-Diode d3 sperrt.

Wenn nun eine positive Versorgungsspannung an den Anschluß 3 angeklemmt wird, fließt zunächst ein Eingangsstrom über eine als Verpolungsschutz dienende Diode n3, über einen selbstleitenden MOS-FET T1, die Basis-Emitter-Strecke eines Bipolartransistors T2 und parallel zu dieser über einen Widerstand r18. Der Kollektor des Transistors T2 ist an die Kathode der Diode n3 angeschlossen. Der Stromfluß über Basis und Emitter bewirkt daher auch einen Fluß über Kollektor und Emitter des Transistors T2. Der gesamte Eingangsstrom fließt über eine an den Emitter des Transistors T2 angeschlossene Diode n2. Zwischen die Kathode der Diode n2 an einem Punkt 36 und den Anschluß 4 sind zwei Widerstandsketten parallel geschaltet, eine erste mit Wi­ derständen r15, r17, r16, r10 und, parallel zum Widerstand r15, einem Widerstand r20 und einer Diode n4, und eine zweite mit Widerständen r14, r12 und r11, über die der Strom zum Anschluß 4 abfließt. Der Widerstand 17 ist ein Trimmer.

Die Empfänger-Photodiode d3 ist an den Punkt 36 zwischen der Kathode der Diode n2 und einem Referenzeingang 33 einer ersten steuerbaren Zenerdiode u4 geschaltet. Ein Kollektoranschluß 34 der steuerbaren Zenerdiode u4 ist mit der zweiten Kette zwischen den Widerständen r14 und r12 verbunden, ihr Emitteranschluß 35 mit der ersten Kette zwischen den Widerständen r16 und r10.

Wenn die Spannung an dem Kollektoranschluß 34 die durch den Referenzeingang 33 bestimmte Schwellspannung nicht erreicht, bleibt u4 gesperrt.

Ein Referenzeingang 30 einer zweiten steuerbaren Zenerdiode u5 ist an den Regelanschluß des Trimmers r17 angeschlossen. Ein Kollektoranschluß 31 der zweiten steuerbaren Zenerdiode u5 ist an das Gate des selbstleitenden MOS-FETs T1 und, über einen Widerstand r19, an die Basis des Transistors T2 angeschlossen.

An der steuerbaren Zenerdiode u5 wird die Schwellspannung am Referenzeingang 30 erreicht, u5 wird stromleitend. Dadurch fällt die Gatespannung des MOS-FET T1 ab, der Strom durch T1 und T2 sinkt, die Spannung am Referenzeingang 30 sinkt, der Strom durch die Transistoren T1 und T2 steigt wieder an usw., bis sich ein stationärer Zustand einstellt.

Da der MOS-FET T1 selbstleitend und nicht selbstsperrend ist, liegt der Arbeitswiderstand r19 der zweiten steuerbaren Zener­ diode u5 an der relativ stabilen, weil durch die Reihenschaltung der Diode n2 und der Basis-Emitter-Diode des Transistors T2 stabilisierten, Basisspannung des Transistors T2.

Da deswegen der durch die zweite Zenerdiode u5 fließende Regel­ strom relativ wenig schwankt, und aufgrund der hohen Verstärkung der Zenerdiode u5 und der Transistoren T1 und T2 ist die zwischen der Kathode der Diode n2 und dem Referenzeingang 33 abzugreifende Ausgangsspannung dieses Spannungsreglers im Aus­ gangsstrombereich von 4-20 mA und dem Eingangsspannungsbereich von 6-24 V extrem stabil und der Eigenstrom des Reglers sehr niedrig. Die Ausgangsspannung des Reglers ist über den Trimmer r17 einstellbar.

Ist jetzt der Eingangskreis stromführend, so geht die Empfänger- Diode d3 des Linear-Optokopplers u1 vom sperrenden in den leitenden Zustand über. Durch den am Widerstand r13 entstehenden Spannungsfall wird der Schwellwert am Referenzeingang 33 der ersten Zenerdiode u4 erreicht und diese wird leitend. Es fließt ein Strom vom Ausgang des Spannungsreglers an der Kathode der Diode n2 über den Widerstand r14, die Zenerdiode u4 und den Widerstand r10 zum Anschluß 4.

Dieser Stromfluß läßt zwischen den Widerständen r10 und r14 eine Spannung anfallen, die über einen aus den Widerständen r12, r11 gebildeten Spannungsteiler die Spannung am Referenzeingang 33 abnehmen läßt. Infolgedessen sinkt der Strom durch die Zenerdiode u4 usw..

Der aus den Widerständen r14, r12, r11, r10 und der ersten Ze­ nerdiode u4 gebildete Regelkreis wandelt so den dem Eingangs­ strom des Eingangswandiers proportionalen Photostrom der Emp­ fänger-Diode d3 des Linear-Optokopplers u1 in einen mit dem Eingangsstrom des Eingangskreises identischen Summenstrom des Ausgangskreises um.

Der Widerstand r14 dient nicht nur wie der Widerstand r10 zur Linearisierung, sondern auch zur Begrenzung des Ausgangsstromes, denn wenn die "Kollektor-Emitter"-Spannung an der zweiten steuerbaren Photodiode u4 bedingt durch den stromabhängigen Spannungsabfall am Widerstand r14 und die am Punkt 36 anstehende starre interne Betriebsspannung einen Wert von ca. 2 Volt unterschreitet, so kann der Strom durch die zweite Zenerdiode u4 auch bei steigender Spannung am Referenzeingang 33 nicht mehr steigen.

Die Aufteilung des notwendigen Linearisierungswiderstandes in die Widerstände r10 und r14 bewirkt außerdem, daß sich nur der Spannungsabfall an r10 und nicht der an r14 zu der starren Spe­ isespannung addiert, wodurch der Spannungsabfall am Ausgangs­ wandler erniedrigt wird.

Die ohnehin niedrigen, aber weitgehend gleichen Temperaturgänge der steuerbaren Zenerdioden u4 und u5 kompensieren sich weitge­ hend gegenseitig, denn eine temperaturbedingte Erhöhung des Stromes durch die erste Zenerdiode u5 bewirkt durch das dadurch bedingte Absinken der internen Betriebsspannung am Punkt 36 eine Erniedrigung des temperaturbedingt erhöhten Stromes durch u4, so daß der gesamte Stromfluß durch den Ausgangskreis im wesentlichen gleich bleibt.

Die Reihen-Parallelschaltung des Widerstandes r15 mit dem Wi­ derstand r20 und der Diode n4 dient mittels des temperaturab­ hängigen Durchlasswiderstandes der Diode n4 zur weitestgehenden Kompensation des noch verbliebenen Temperaturganges des gesamten Ausgangskreises.

Der Trimmer r17 dient zur Eichung des Ruhestroms (4 mA) des Ausgangskreises und der Trimmer r15 (bzw. r42) des Eingangskreises zur Eichung des Maximalstroms (20 mA). Kondensatoren k3-k5 sind zur Unterdrückung von Eigenschwin­ gungen des Ausgangswandlers zwischen den Referenzeingängen 30, 33 und den Kollektoranschlüssen 31, 34 der steuerbaren Zener­ dioden u5, u4 sowie zwischen dem Kollektoranschluß 31 und der Basis des Transistors T2 angeordnet.

Die in Fig. 4 gezeigte zweite Ausgestaltung eines Ausgangs­ kreises ist für die Erzeugung von Ausgangssignalen nach unter­ schiedlichen Normen ausgelegt. Er ist in der Lage, je nach Stellung von Schaltern b1/1, b1/2, b1/3 b1/4 Stromstärkensignale von 0 bis 20 mA oder von 4 bis 20 mA oder Spannungssignale von 0 bis 10 V oder von 2 bis 10 V an seinen Ausgängen 6 und 7 bzw. Ströme auch an 8 zu liefern.

Eine Stromversorgung speist über positiven und negativen An­ schluß 5 bzw. 6 und eine Diode n6, die als Verpolschutz dient, einen Festspannungsregler u7, an dessen Pluspol 40 eine stabi­ lisierte Speisespannung für den Ausgangskreis zur Verfügung steht. Der Minuspol 41 des Festspannungsreglers u7 ist direkt mit dem negativen Ausgang 6 des Ausgangskreises verbunden.

Eine Empfänger-Diode d3 eines Linear-Optokopplers u1 ist par­ allel mit einem Kondensator k11 mit ihrer Anode an den Minuspol 41 und mit ihrer Kathode über einen Widerstand r23 mit einem Punkt 42 eines Spannungsteilers aus Widerständen r38, r39 ver­ bunden, an denen die Spannung des Reglers u7 anliegt. Ein zu­ sätzlicher Widerstand r24 ist durch einen Schalter b1/4 parallel zum Widerstand r23 schaltbar.

Die Kathode der Empfänger-Diode d3 ist an den nicht invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers u6/1 angeschlossen, dessen invertierender Eingang an den Ausgang eines identischen Differenzverstärkers u6/2 angeschlossen ist.

Der Ausgang des ersten Differenzverstärkers u6/1 ist über einen Widerstand r25 mit der Basis eines Ausgangstransistors T3 verbunden. Zwischen der Basis und dem Pluspol 40 befindet sich ein Widerstand r26. Der Kollektor des Ausgangstransistors T3 ist direkt an einen positiven Strom- und Spannungsausgang 7 des Ausgangskreises und über eine Diode n5 an einen Stromausgang 8 angeschlossen. Der Stromausgang 8 kann gemeinsam mit anderen gleichartigen Ausgängen anderer Trennschaltungen auf eine Stro­ msammelschiene aufgeschaltet werden, wodurch eine Summierung der Ausgangsströme der aufgeschalteten Ausgänge erfolgt. Die Diode n5 bleibt dabei ohne Einfluß auf den Ausgangsstrom. Sie dient lediglich zur Verhinderung von Rückwirkungen zwischen den aufgeschalteten Ausgängen 8.

Der Emitter des Ausgangstransistors T3 ist über Widerstände r27, r28, r29 mit dem Pluspol 40 verbunden. Einer von diesen Widerständen r29 ist ein Trimmer, von dessen Regelanschluß über einen Spannungsteiler aus Widerständen r30, r31 ein Eingangs­ signal für den nichtinvertierenden Eingang des zweiten Diffe­ renzverstärkers u6/2 abgeleitet wird.

Da der Minuspol 41 des Reglers u7 auch der negative Wandleraus­ gang 6 ist, darf ein Strommeßwiderstand des Ausgangskreises nicht an diesem Ausgang liegen. Die Messung des Ausgangstromes des Ausgangskreises erfolgt deshalb im Emitterkreis des Aus­ gangstransistors T3, und die der Wandlerausgangsspannung in seinem Kollektorkreis

Bei geschlossenem Schalter b1/1 und geöffnetem Schalter b1/2 liefert der Ausgangskreis ein Strom-Ausgangssignal. An der Par­ allelschaltung aus r27 mit der Reihenschaltung aus r28, r29 entsteht eine dem Ausgangsstrom proportionale Rückführspannung, wobei der Trimmer r29 zur Einstellung des Ausgangsstromendwertes dient.

Bei geöffnetem Schalter b1/1 und geschlossenem Schalter b1/2 liefert der Ausgangskreis ein Spannungs-Ausgangssignal. An dem Widerstand r34 der Spannungsteilerschaltung aus r32, r33, r34 entsteht eine der Ausgangsspannung proportionale Rückführspan­ nung, wobei r32 zur Einstellung des Ausgangsspannungsendwertes dient.

Diese Spannungsrückführspannung ist gegenüber der Stromrück­ führspannung um 180° phasenverschoben. Die Stromrückführspannung gelangt über den Spannungsteiler aus zwei gleichen Widerständen r30, r31 auf den nicht invertierenden und die um 180' gedrehte Spannungsrückführspannung über den Spannungsteiler aus zwei gleichen Widerständen r35, r36 auf den invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers u6/2, dessen Verstärkung durch einen Widerstand r37 zwischen seinem Ausgang und invertierenden Eingang festgelegt ist. Beim Ausgangsstrom Null oder der Ausgangsspannung Null steht am Ausgang des Differenzverstärkers u6/2 die Hälfte der stabilisierten Wandlerspeisespannung an, die sich parallel zum Ausgangsstrom bzw. zur Ausgangsspannung proportional vermindert. Diese dem Ausgangsstrom bzw. der Ausgangsspannung entsprechende Rückführspannung gelangt auf den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers u6/1, der über den Spannungsteiler r25, r26 den Ausgangstransistor T3 steuert.

Durch eine entsprechende Bemessung des Spannungsteilers r25, r26 erfolgt durch den Spannungsfall an den Emitterwiderständen r27 bzw. r28, r29 von T3 eine Ausgangsstrombegrenzung auf ca. 30 mA, wenn zur Erzeugung eines Stromsignals der Schalter b1/1 geschlossen ist, bzw. auf ca. 17 mA, wenn zur Erzeugung eines Spannungssignals der Schalter b1/1 offen ist.

Da sich die beiden Differenzverstärker u6/1 und u6/2 auf einem gemeinsamen Chip befinden (Dual-Operationsverstärker) ist der Temperaturgang ihrer Offsetspannung sehr ähnlich. Da u6/2 den invertierenden Eingang von u6/2 steuert, erfolgt somit eine weitgehende Kompensation der Temperaturdrift.

Der dem Eingangssteuerstrom des Eingangswandlers proportionale Photostrom der Empfänger-Diode d3 bewirkt an der aus dem Span­ nungsteiler r38, r39 und dem Arbeitswiderstand r23 bestehenden Reihenschaltung einen dem Photostrom proportionalen Spannungs­ fall der Steuerspannung am nichtinvertierenden Eingang des Dif­ ferenzverstärkers u6/1.

Der Spannungsteiler r38, r39 ist so dimensioniert, daß bei einem Eingangssteuerstrom von 4 mA (Nullstrom), am nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers u6/1 die halbe interne Betriebsspannung des Ausgangskreises als Steuerspannung ansteht.

Bei geschlossenem Codierschalter b1/1 und geöffnetem Codier­ schalter b1/2 bis b1/4 ist der Ausgangsstrom an den Anschlüssen 7 bzw. 8 null. Der Trimmer r5 (bzw. r42) im Eingangskreis dient zur Nullpunkteichung.

Bei einem Eingangssteuerstrom von 20 mA (Endwert) beträgt der Ausgangsstrom ebenfalls 20 mA. Der Trimmer r29 des Ausgangs­ kreises dient zur Eichung des Stromendwertes.

Durch das Schließen des Codierschalters b1/4 wird die Steuer­ spannung am Differenzverstärker u6/1 um 20% vermindert. Wird jetzt noch der Codierschalter b1/3 geschlossen, so fließt bei einem Eingangssteuerstrom von 4 mA ein Ausgangsstrom von 4 mA (Nullstrom). Der Trimmer r22 dient zur Eichung des Nullstromes von 4 mA.

Bei einem Eingangssteuerstrom von 20 mA (Endwert) fließt auf­ grund der durch Parallelschaltung der Widerstände r23 u. r24 um 20% verminderten Verstärkung des Ausgangsverstärkers u6/1 wei­ terhin ein Ausgangsstrom von 20 mA.

Bei geschlossenem Codierschalter b1/2 und geöffneten Codier­ schaltern b1/1, b1/3 u. b1/4 steht am Ausgang 7 des Ausgangskreises bei einem Eingangssteuerstrom von 4-20 mA eine Aus­ gangsspannung von 0-10 V an.

Werden jetzt die Codierschalter b1/3 und b1/4 geschlossen, so beträgt die Ausgangsspannung bei einem Eingangssteuerstrom von 4-20 mA 2-10 V.

Die Kondensatoren k6-k11 dienen zur Unterdrückung von Eigen­ schwingungen des Ausgangskreises.

Fig. 5 zeigt einen Betriebsspannungsschalter, der einem Ausgang 3 bzw. 5 eines Ausgangskreises nach Fig. 3 bzw. 4 vorgeschaltet werden kann. Dieser Schalter empfängt über Steuereingänge 9, 10 ein Schaltsignal, das, beispielsweise durch einen Optokoppler uß mit Darlingtonausgang galvanisch getrennt, einen Schalttran­ sistor T4 ansteuert. Wenn der Transistor T4 aufgesteuert ist, fließt eine Versorgungsspannung U_B über den Transistor T4 von einem Eingang 11 zu einem Ausgang 12, der mit einem Ausgang 3 oder 5 eines Ausgangskreises nach Fig. 3 oder 4 verbunden ist. Durch selektives Ansteuern der Eingänge 9, 10 lassen sich meh­ rere an eine gemeinsame Sammelschiene geschaltete Trennverstär­ ker selektiv aktivieren und so eine Mehrzahl von Meßgrößen ein­ zeln durch sukzessives Aktivieren der entsprechenden Trenn­ schaltkreise oder additiv durch gleichzeitiges Aktivieren ab­ fragen.

Fig. 6 zeigt ein Prinzipschaltbild einer kommerziellen steuer­ baren Zenerdiode ZHT 431, die in den in Figs. 1 bis 4 vorge­ stellten Schaltungen eingesetzt werden kann. Da diese Steuer­ diode als solche bekannt ist, erübrigt sich eine detaillierte Beschreibung.

Claims (17)

1. Trennschaltkreis mit einem Eingangskreis, einem vom Eingangskreis galvanisch getrennten Ausgangskreis, und einem zwischen dem Eingangskreis und Ausgangskreis angeordneten, einen Sender (d1) und einen Empfänger (22, 23) aufweisenden Optokoppler (u1) zur Übertragung von Signalen vom Eingangskreis zum Ausgangskreis, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangskreis eine erste steuerbare Zenerdiode (u3, u11), die mit dem Sender (d1) des Optokopplers (u1) in Reihe geschaltet ist und einen Referenzeingang (16) besitzt, der mit einer zu einem Eingangssignal des Trennschaltkreises proportionalen Spannung beschaltet ist, und eine zum Sender (d1) und zur ersten steuerbaren Zenerdiode (u3, u11) parallel geschaltete zweite steuerbare Zenerdiode (u2, u10) aufweist (Fig. 1 und 2).

2. Trennschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden steuerbaren Zenerdioden (u3, u2; u11, u10) einen identischen Temperaturgang aufweisen (Fig. 1 und 2).

3. Trennschaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Spannungsteilerkette (r6, r3, r2; r43, r47, r45) aufweist, von der an einem ersten Punkt (13) ein Versorgungsstrom des Senders (d1) abzweigt und von der ein zweiter Punkt (05, 22) mit dem Referenzeingang (17) der zweiten steuerbaren Zenerdiode (u2, u10) verbunden ist (Fig. 1).

4. Trennschaltkreis nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen zwischen dem zweiten Punkt (15) und dem Referenzeingang (17) der zweiten steuerbaren Zenerdiode (u2) angeordneten regelbaren Widerstand (r5) (Fig. 1).

5. Trennschaltkreis nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Empfänger (d2) des Optokopplers (u1) zwischen dem Referenzeingang (17) und einem Kollektoranschluss (19) der zweiten steuerbaren Zenerdiode (u2) angeordnet ist (Fig. 1).

6. Trennschaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Emitteranschlüsse (20, 21) beider steuerbaren Zenerdioden (u3, u2) an einen gemeinsamen Widerstand (r1) angeschlossen sind, an dem eine Spannung abfällt, die zum dem Eingangskreis eingeprägten Signalstrom proportional ist (Fig. 1).

7. Trennschaltkreis nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzeingang (16) der ersten steuerbaren Zenerdiode (u11) mit einem Empfänger (d2) des Optokopplers (u1) verbunden ist (Fig. 1).

8. Trennschaltkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (d1) mit einem Kollektoranschluss (18) der ersten steuerbaren Zenerdiode (u11) verbunden ist und dass der Empfänger (d2) zwischen dem Referenzeingang (16) und einem Emitteranschluss (20) der Zenerdiode (u11) angeordnet ist (Fig. 2).

9. Trennschaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (d1) an einen Kollektoranschluss (18) der ersten steuerbaren Zenerdiode (u3, u11) angeschlossen ist, und dass ein Kompensationswiderstand (r9, r49) zwischen den Kollektoranschluss und den Referenzeingang (16) geschaltet ist (Fig. 1 und 2).

10. Trennschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (k2, k14) zum Unterdrücken von Schwingungen des Eingangskreises zwischen einen Kollektoranschluss (18) und den Referenzeingang (16) der ersten steuerbaren Zenerdiode (u3, U11) geschaltet ist (Fig. 1 und 2).

11. Trennschaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangskreis Energie zu seinem Betrieb einer an seinen Ausgangsanschlüssen anliegenden Spannung entnimmt (Fig. 3 und 4).

12. Trennschaltkreis nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangskreis eine Spannungsregelschaltung (T1, T2, r18, r19, u5) zum Bereitstellen einer konstanten Versorgungsspannung eines Empfängers (d3) des Optokopplers (u1) aus einer an den Ausgangsanschlüssen (3, 4) anliegenden Spannung aufweist (Fig. 3).

13. Trennschaltkreis nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine steuerbare Zenerdiode (u4) zum Regeln eines zwischen den Ausgangsanschlüssen (3, 4) fließenden Stroms proportional zu einem Photostrom des an einen Referenzeingang (33) der steuerbaren Zenerdiode (u4) angeschlossenen Empfängers (d3) (Fig. 3).

14. Trennschaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangskreis einen von Ausgangsanschlüssen (6, 7, 8) getrennten Betriebsspannungsanschluss (5) aufweist (Fig. 4).

15. Trennschaltkreis nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei identische Differenzverstärker (u6/1, u6/2) aufweist, dass ein erster Eingang des ersten Differenzverstärkers (u6/1) an einen Empfänger (d3) des Optokopplers (u1) und der zweite Eingang an den Ausgang des zweiten Differenzverstärkers (u6/2) angeschlossen ist (Fig. 4).

16. Trennschaltkreis nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung im Emitterkreis (r29, r28, r24) und die Ausgangsspannung im Kollektorkreis (r32, r33, r34) des Ausgangstransistors (T3) zu dessen Basis rückgeführt ist (Fig. 4).

17. Trennschaltkreis nach den Ansprüchen 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung im Emitterkreis (r29, r28, r24) über den Mittelabgriff (Punkt 43) eines Spannungsteilers (r30, r31) an den nicht invertierenden und die Ausgangsspannung im Kollektorkreis (r32, r33, r34) über den Mittelabgriff (Punkt 44) eines Spannungsteilers (r35, r36) an den invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers (u6/2) geführt ist (Fig. 4).