DE19925909A1 - Schnittstelle zur Potentialtrennung und zur Übertragung digitaler Signale - Google Patents

Abstract

Bei einer Schnittstelle zur Potentialtrennung und Übertragung digitaler Signale mit einer ersten Seite zur elektrischen Verbindung mit einem ersten Gerät und einer zweiten Seite zur elektrischen Verbindung mit einem zweiten Gerät befinden sich in den Signalpfaden zwischen jeweils einem Signaleingang (E1, E2) und einem Signalausgang (A1, A2) und zwischen den Bezugsspannungsleitungen (B1, B2) beider Seiten hochspannungsfeste Kondensatoren (C1, C2, C3) als Koppelelemente. Dadurch wird die Übertragung niederfrequenter Fehlerströme verhindert und die Übertragung höherfrequenter Datensignale ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schnittstelle zur Potentialtren­ nung und Übertragung digitaler Signale mit einer ersten Seite zur elektrischen Verbindung mit einem ersten Gerät und einer zweiten Seite zur elektrischen Verbindung mit einem zweiten Gerät, wobei die erste Seite wenigstens einen Signaleingang und eine Bezugsspannungsleitung und die zweite Seite wenig­ stens einen Signalausgang und eine Bezugsspannungsleitung aufweisen.

Durch die elektrische Verbindung eines nicht-medizinisches elektrischen Geräts (z. B. PC) mit einem medizinischen elek­ trischen Gerät entsteht ein medizinisches System. Die elek­ trischen Sicherheitsanforderungen an derartige Systeme sind in einschlägigen DIN-Normen (DIN EN 60601-1) und VDE-Bestim­ mungen (VDE 0750) angegeben. Diese legen unter anderem Grenz­ werte für maximal zulässige Erdableitströme, Gehäuse­ ableitströme und Patientenableitströme fest.

Die genannten Sicherheitsbestimmungen sind insbesondere auch für die Verbindungsteile zur Datenübertragung, sogenannte Schnittstellen, zwischen dem nicht-medizinischen elektrischen Gerät und dem medizinischen elektrischen Gerät relevant. Zum Übertragen eines Datensignals eines nicht-medizinischen elektrischen Geräts auf ein medizinisches elektrisches Gerät steht ein geeigneter Signalausgang des ersteren in leitender Verbindung mit einem Signaleingang der Schnittstelle. Das Datensignal wird durch die Schnittstelle geleitet und gelangt zu deren Signalausgang, der in elektrisch leitender Verbindung mit dem Eingang des zweiten Geräts steht. Analog kann auch eine Datenübertragung in umgekehrter Richtung er­ folgen. Gemäß gültiger Sicherheitsbestimmungen darf zwischen den beiden Geräten keine niederohmig leitende elektrische Verbindung bestehen. Daraus resultieren die Forderungen nach möglichst hoher Spannungsfestigkeit und kleinen Ableitströmen zwischen der einen Seite der Schnittstelle, die mit dem nicht-medizinischen elektrischen Gerät verbunden ist und der anderen Seite der Schnittstelle, die mit dem medizinischen elektrischen Gerät verbunden ist, so daß eine Gefährdung ei­ nes Patienten im Fehlerfall verhindert wird.

Bekannte Verfahren, mit denen die geforderte, hohe Spannungs­ festigkeit und die kleinen Ableitströme erreichbar sind, ar­ beiten mit magnetischen Übertragern und/oder mit optoelektro­ nischen Bauelementen zur Potentialtrennung und Signalüber­ tragung. Derartige Lösungen haben jedoch den Nachteil, daß sie aufwendig und bezüglich ihrer Datenübertragungsraten begrenzt sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Schnittstellen zur Übertragung digitaler Signale und zur Potentialtrennung zwi­ schen mehreren Geräten zu vereinfachen und zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einer Schnittstelle zur Potentialtren­ nung und Übertragung digitaler Signale mit einer ersten Seite zur elektrischen Verbindung mit einem ersten Gerät und einer zweiten Seite zur elektrischen Verbindung mit einem zweiten Gerät, wobei die erste Seite wenigstens einen Signaleingang und eine Bezugsspannungsleitung und die zweite Seite wenig­ stens einen Signalausgang und eine Bezugsspannungsleitung aufweisen, dadurch gelöst, daß hochspannungsfeste Kondensato­ ren als Koppelelemente in den Signalpfaden zwischen jeweils einem Signaleingang und einem Signalausgang und zwischen den Bezugsspannungsleitungen beider Seiten eingesetzt sind.

Ein Signalpfad einer erfinderischen Schnittstelle umfaßt hierbei einen Signaleingang, einen Signalausgang, wenigstens einen Kondensator (Koppelkondensator) als Koppelelement und zur Potentialtrennung zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang sowie aktive und/oder passive elektrotechnische Bauelemente zwischen dem Signaleingang und dem Koppelkonden­ sator bzw. zwischen dem Koppelkondensator und dem Signalaus­ gang.

Durch den Einsatz weniger, hochspannungsfester Kondensatoren ist eine Schaltung einfach und kostengünstig zu realisieren, die den gestellten Sicherheitsanforderungen in vielen Fällen genügt. Die Kondensatoren bewirken dabei die geforderte Po­ tentialtrennung zwischen der dem nicht-medizinischen Gerät und der dem medizinischen Gerät zugewandten Seite der Schnittstelle. Bei der Dimensionierung der erforderlichen Kondensatoren ist darauf zu achten, daß die Summe ihrer Kapa­ zitäten und der zwischen den beiden Seiten der Schnittstelle vorhandenen parasitären Kapazität einen Grenzwert nicht über­ steigt. Die Dimensionierung ist für die gegebene Netzfrequenz (z. B. 60 Hz) auszulegen. Aufgrund der niedrigen Netzfrequenz werden im Fehlerfall über die Signal- und Bezugsspannungs­ leitungen der erfinderischen Schnittstelle nur relativ kleine, niederfrequente Ableitströme übertragen. Somit sind bei entsprechender Dimensionierung der Kondensatoren die Si­ cherheitsanforderungen hinsichtlich Spannungsfestigkeit und Ableitströmen zwischen den zu verbindenden elektrischen Geräten in der Regel erfüllbar.

Die Frequenzen der zu übertragenden digitalen Datensignale liegen wesentlich oberhalb der Netzfrequenz. Da allgemein die Impedanz eines Kondensators mit zunehmender Frequenz sinkt, sind Datensignale ab einer bestimmten Mindestfrequenz über die erfindungsgemäß eingesetzten Kondensatoren in geeigneter Weise übertragbar. Ein wesentlicher Vorteil der Schnittstelle nach der Erfindung sind die damit erreichbaren, hohen Daten­ übertragungsraten, die weitgehend nur von den den Koppel­ kondensatoren vorgeschalteten bzw. nachgeschalteten Bauele­ menten bestimmt werden.

Für die Auswahl und Beschaltung der den Kondensatoren vor- bzw. nachgeschalteten Bauelemente gibt es eine Vielzahl an Möglichkeiten. Nach einer bevorzugten Ausführungsform befin­ den sich gemäß der Erfindung in den Signalpfaden zwischen je­ weils einem Signaleingang und einem Signalausgang und zwi­ schen den Bezugsspannungsleitungen beider Seiten Koppelkon­ densatoren. Signaleingangsseitig ist dem Koppelkondensator ein Verstärkungselement vorgeschaltet. Signalausgangsseitig folgt ihm ein hysteresebehaftetes Verstärkungselement, beispielsweise ein Schmitt-Trigger. Diesem wiederum ist ein Spannungsteiler in Verbindung mit der Spannungsversorgung der betreffenden Seite vorgeschaltet, um das Ruhepotential des Verstärkungselements festzulegen. Der Spannungsteiler ist so dimensioniert, daß das Ruhepotential in etwa in der Mitte zwischen der unteren und der oberen Triggerschwelle des hysteresebehafteten Verstärkungselements liegt. Die Koppel­ kondensatoren im Signalpfad und zwischen den Bezugsspan­ nungsleitungen bilden zusammen mit der parasitären Kapazität am Eingang des signalausgangsseitigen Verstärkungselements einen kapazitiven Spannungsteiler. Für diesen gilt allgemein: Der größte Spannungsabfall erfolgt über der kleinsten Kapazi­ tät und umgekehrt. Durch entsprechend dimensionierte Koppel­ kondensatoren läßt sich damit erreichen, daß ein am Signal­ eingang eines Signalpfades anliegendes Datensignal in nur ge­ ringfügig abgeschwächter Form am Eingang des signalausgangs­ seitigen Verstärkungselements anliegt. In vorteilhafter Weise wählt man hierzu die Kapazität des Koppelkondensators im Signalpfad um einen Faktor größer gegenüber oben genannter parasitärer Kapazität, und die Kapazität des Koppelkondensa­ tors der Bezugsspannungsleitungen wiederum um einen Faktor größer gegenüber der Koppelkapazität der Signalleitungen. Als Folge davon driften die Bezugsspannungen der beiden Seiten der Schnittstelle für die zu übertragenden Signale nur geringfügig auseinander.

Damit die Bezugsspannungen auch im Leerlauf nicht zu sehr auseinanderdriften, befindet sich gemäß einer zusätzlichen Ausführungsvariante ein hochspannungsfester, hochohmiger Widerstand als weiteres Verbindungselement zwischen den Bezugsspannungsleitungen.

Ausgehend von einer unidirektionalen seriellen Schnittstelle läßt sich die beschriebene Anordnung durch entsprechende Ver­ vielfachung und/oder spiegelbildliche Anordnung leicht zu einer parallelen und/oder bidirektionalen Schnittstelle erweitern. Damit sind mit der erfinderischen Anordnung die wichtigsten Forderungen an eine Schnittstelle zum univer­ sellen Gebrauch erfüllbar. Zu beachten ist dabei jedoch stets, daß die Summe der entsprechend der Erfindung einge­ setzten Kapazitäten zusammen mit der parasitären Kapazität zwischen den beiden Seiten der betreffenden Schnittstelle einen Grenzwert nicht übersteigt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung füh­ ren die Signaleingangsanschlüsse zunächst jeweils zu Verstär­ kungselementen mit zwei komplementären Ausgängen. Gemäß der Erfindung sind diese komplementären Ausgänge über Koppelkon­ densatoren mit zwei Eingängen eines Komparators auf der zugehörigen Signalausgangsseite des jeweiligen Signalpfads verbunden. Analog zu den hysteresebehafteten Verstärkungs­ elementen der oben beschriebenen Variante ist hier jedem Komparator ein Spannungsteiler in Verbindung mit der Span­ nungsversorgung der betreffenden Seite der Schnittstelle vorgeschaltet. Damit sind die Eingangspegel der Komparatoren im Ruhezustand festgelegt.

Eine Schnittstelle nach der Erfindung dient insbesondere dazu, nicht-medizinische elektrische Geräte mit medizinischen elektrischen Geräten zu verbinden, die Datenübertragung zwi­ schen diesen Geräten zu ermöglichen und gleichzeitig die ge­ forderten Sicherheitsbestimmungen einzuhalten. Beispielhaft für eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten sei hier die Verbindung eines Programmiergeräts mit einem Hörhilfegerät genannt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Patentansprü­ chen.

Die einem nicht-medizinischen Gerät zugewandte (erste) Seite der dargestellten Schnittstelle weist folgende Anschlüsse auf: einen Signaleingang E1, einen Signalausgang A2 und zwei Spannungsversorgungsanschlüsse VG1 und B1, wobei B1 die Bezugsspannung der ersten Seite der Schnittstelle darstellt. Die dem medizinischen Gerät zugewandte (zweite) Seite der Schnittstelle weist einen Signalausgang A1, einen Si­ gnaleingang E2 sowie zwei Spannungsversorgungsanschlüsse VG2 und B2 auf, wobei B2 die Bezugsspannung der zweiten Seite der Schnittstelle darstellt. Ein am Signaleingang E1 anliegendes Datensignal wird zunächst einem invertierenden Verstärkungs­ element V1 zugeleitet und dann über einen Koppelkondensator C1 weitergeleitet. Der Koppelkondensator C1 bildet zusammen mit einer parasitären Kapazität CS1 am Eingang eines Schmitt- Triggers S1 und einem Koppelkondensator C2 zwischen den Bezugsspannungsleitungen einen kapazitiven Spannungsteiler für das Eingangssignal. Bei geeigneter Dimensionierung der Koppelkondensatoren C1 und C2 liegt das Eingangssignal zum Großteil an der Kapazität CS1 an. Von dem Schmitt-Trigger S1 wird es erfaßt und mit der notwendigen Flankensteilheit an den Signalausgang A1 weitergeleitet. Der ohmsche Spannungs­ teiler aus zwei Widerständen R1 und R2 dient der Festlegung des Ruhepotentials am Eingang des Schmitt-Triggers S1. In analoger Weise erfolgt eine Datenübertragung in umgekehrter Richtung über einen Signaleingang E2 und einen Signalausgang A2. Die hochspannungsfesten Koppelkondensatoren C1, C2 und C3 werden so dimensioniert, daß die Ableitströme durch diese Kondensatoren bei der erforderlichen Prüfspannung und der ge­ gebenen Netzfrequenz nicht überschritten werden. Die Ab­ leitströme durch die Kondensatoren sind hierbei zu addieren. Zusätzlich ist eine unvermeidbare parasitäre Kapazität CP zwischen den beiden Seiten der Schnittstelle in der Weise zu berücksichtigen, daß auch hierdurch ein weiterer Ableitstrom entsteht, der zu den übrigen Ableitströmen zu addieren ist. Ein typischer Wert für die parasitäre Kapazität am Eingang eines Schmitt-Trigger ist CS = 4 pF. Dann sind beispielsweise die in der Zeichnung dargestellten Widerstände und Konden­ satoren bei einer Netzspannung von 230 V und einer Netz­ frequenz von 50 Hz wie folgt dimensionierbar:

R1 = R3 = 10 MΩ

R2 = R4 = 8,2 MΩ

C1 = 47 pF

C2 = 330 pF

C3 = 47 pF

Die verwendeten Kondensatoren weisen eine Spannungsfestigkeit bis 4 kV auf.

Bei der praktischen Realisierung der beschriebenen erfinderi­ schen Schnittstelle ist auf möglichst kurze Leitungslängen zu achten, insbesondere zwischen den Koppelkondensatoren und den Verstärkungselementen.

Claims (8)

1. Schnittstelle zur Potentialtrennung und Übertragung digi­ taler Signale mit einer ersten Seite zur elektrischen Verbin­ dung mit einem ersten Gerät und einer zweiten Seite zur elek­ trischen Verbindung mit einem zweiten Gerät, wobei die erste Seite wenigstens einen Signaleingang (E1) und eine Bezugs­ spannungsleitung (B1) und die zweite Seite wenigstens einen Signalausgang (A1) und eine Bezugsspannungsleitung (B2) aufweisen, gekennzeichnet durch hochspannungsfeste Kondensatoren (C1, C2, C3) als Koppel­ elemente in den Signalpfaden zwischen jeweils einem Signal­ eingang (E1, E2) und einem Signalausgang (A1, A2) und zwischen den Bezugsspannungsleitungen (B1, B2) beider Seiten.

2. Schnittstelle nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei vorgegebener Netzfre­ quenz die Summe der Ableitströme durch die Signalpfade und Bezugsspannungsleitungen einen Grenzwert nicht übersteigt.

3. Schnittstelle nach Anspruch 1 oder 2 zur unidirektionalen, seriellen oder parallelen Datenübertragung, gekenn­ zeichnet durch einen oder mehrere Signal­ eingänge (E1) auf der einen Seite und einen oder mehrere Signalausgänge (A1) auf der anderen Seite der Schnittstelle.

4. Schnittstelle nach Anspruch 1 oder 2 zur bidirektionalen, seriellen oder parallelen Datenübertragung, gekenn­ zeichnet durch einen oder mehrere Signal­ eingänge und einen oder mehrere Signalausgänge auf jeder Seite der Schnittstelle.

5. Schnittstelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem Signalpfad zwischen dem Signaleingang (E1) und dem hochspannungsfesten Kondensator (C1) ein Verstär­ kungselement (V1) und zwischen dem hochspannungsfesten Kondensator (C1) und dem Signalausgang (A1) ein hysterese­ behaftetes Verstärkungselement (S1) angeordnet sind, wobei dem hysteresebehafteten Verstärkungselement (S1) ein Spannungsteiler (R1, R2) in Verbindung mit der Spannungs­ versorgung (VG2) der betreffenden Seite der Schnittstelle vorgeschaltet ist.

6. Schnittstelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens in einem Signalpfad dem Signaleingang ein Verstär­ kungselement mit zwei komplementären Ausgängen nachgeschaltet ist und dem Signalausgang ein Komparator mit zwei Eingängen vorgeschaltet ist, wobei hochspannungsfeste Kondensatoren als Koppelelemente zwischen den Ausgängen des Verstärkungs­ elements und den Eingängen des Komparators angeordnet sind und dem Komparator ein Spannungsteiler in Verbindung mit der Spannungsversorgung der betreffenden Seite der Schnittstelle vorgeschaltet ist.

7. Schnittstelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 in einer Verbindung von zwei oder mehreren medizinischen elektrischen Geräten und/oder Geräteteilen oder in einer Ver­ bindung wenigstens eines nicht-medizinischen elektrischen Geräts mit einem oder mehreren medizinischen elektrischen Geräten.

8. Schnittstelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 in einer Verbindung eines Hörhilfegeräts mit einem Program­ miergerät.