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Kapazitätsarme Schutzschaltung für eine Schnittstellenbaugruppe
mit Eigenstromversorgung zur Ankopplung insbesondere eines technischen
Betriebsmittels an einen Datenbus Die Erfindung betrifft eine Schnittstellenbaugruppe
zum Anschluss von insbesondere einem technischen Betriebsmittel
an einen Datenbus, welche eine Eigenstromversorgung und eine Schutzschaltung
für die
Signalleitungen des Datenbusses aufweist.
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Es gibt Datenkommunikationsnetzwerke, auch
Datenbusse genannt, welche im Bereich der industriellen Kommunikation
eingesetzt werden und die eine besondere Topologie aufweisen. Ein
Merkmal dieser Topologie besteht darin, dass über einen derartigen Datenbus
technische Betriebsmittel datentechnisch miteinander verbunden werden,
wobei die technische Betriebsmittel jeweils ein eigenes, autarkes
Versorgungsspannungssystem aufweisen. Bei diesen technischen Betriebsmitteln
kann es sich z.B. um verteilt angeordnete speicherprogrammierbare Steuerungen,
auch Programmable Logic Controller PLC genannt, intelligente Sensoren,
fernsteuerbare Aktoren und vieles mehr handeln. Diese technischen Betriebsmittel
sind über
in der Regel über
eine Schnittstellenbaugruppe an den Datenbus angekoppelt.
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Ein Datenbus der oben genannten Art
verdrahtet also weder eine einheitliche Versorgungsspannung noch
ein gemeinsames Bezugspotential zwischen angeschlossenen technischen
Betriebsmitteln. Ein möglicher
Datenbus dieses Typs wird z.B. von der Firma Siemens unter der Bezeichnung
PROFIBUS angeboten. Hierüber
werden z.B. Aktoren, Sensoren, speicherprogrammierbare Steuerungen, Antriebe
u.v.m. datentechnisch derart miteinander verbunden, dass als Datensignale
insbesondere Mess- und Steu ersignale, Zeittelegramme und dergleichen
ausgetauscht werden können.
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Auf Grund der besonderen Eigenschaften der
hier betrachteten Datenbusse kann es nicht immer ausgeschlossen
werden, dass einzelne technische Betriebsmittel, die insbesondere
in einem weitläufig
vermaschten Datenkommunikationsnetzwerk kommunkationstechnisch mit
einander verbunden sind, auf Grund der jeweiligen lokalen Anschlussbedingungen
spezifische Potentiale annehmen. Diese können z.B. von umgebenden, großen metallischen Bezugspotentialen
und von den jeweiligen Anschlussbedingungen an das lokale elektrische
Versorgungsnetz am Einbauort beeinflusst werden. Bei sehr ungünstigen
Netztopologien und temporären Netzzuständen können hohe
Potentialverschiebungen auf denjenigen Signalleitungen des Datenbusses
auftreten, die u.U. zwei oder mehr weit voneinander angeordnete
Betriebsmittel und deren Schnittstellenbaugruppen miteinander verbinden.
Diese Potentialverschiebungen können
in seltenen Extremfällen
Werte annehmen, welche die maximal zulässigen Spannungswerte an den
Eingängen
einzelner Schnittstellenbaugruppen überschreiten. Dort sind Elektronikbausteine
vorhanden, welche auch Treiber bzw. Transceiver genannt werden,
und abgehende bzw. ankommende Datensignale zum Zwecke der Datenübertragung
in den Datenbus einkoppeln bzw. ankommende Datensignale als Nutzsignale
zur Weiterverarbeitung in interne Verarbeitungseinheiten des jeweiligen
Betriebsmittels aus dem Datenbus auskoppeln. Diese Transceiver-Bausteine
können
bei derartigen Situationen insbesondere dann zerstört werden,
wenn zusätzlich
hohe Störspannungen
temporär
in die Signalleitungen des Datenbusses eingekoppelt werden.
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Es sind zwar Schutzschaltungen bekannt, welche
zur Ableitung von Überspannungen
gegen Bezugserde an die Signalleitungen des Datenbusses ankoppelbar
sind. Das Problem besteht aber darin, dass diese Schutzschaltungen
in der Regel hohe Kapazitäten aufweisen,
welche von den darin eingesetzten Varistoren bzw. Dioden oder Zenerdioden hervorgerufen
werden. Hierdurch kann die Güte
der Übertragungsqualität des Datenbusses
erheblich beeinträchtigt
werden. Um die zulässigen
Leitungsparameter des Datenbusses insbesondere bezüglich Spannungshub,
Datenübertragungsgeschwindigkeit und
Reflexionsarmut nicht zu stark einzuschränken, können derartige hochkapazitive
Schutzschaltungen nur vereinzelt, also punktuell an bestimmten Stellen des
Datenbusses angeschlossen werden. Es ist somit kein flächendeckender
Schutz in allen Ästen
eines derartigen Datenbusses möglich.
Abschlusswiderstände,
welche in einer Schnittstellenbaugruppe vielfach am Eingang eines
jeden Betriebsmittels zwischen die Signalleitungen des Datenbusses
geschaltet werden, können
dies nicht sicherstellen, sondern dienen nur zur Vermeidung von
Reflexionen an den Leitungsenden durch Signalpegelanpassung zwischen
den Datenbusleitungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu
Grunde, eine Schnittstellenbaugruppe so weiterzubilden, dass einerseits
ein technisches Betriebsmittel über diese
Koppelstelle zu den Signalleitungen des Datenbusses auch bei ungünstigen
Spannungszuständen
auf dem Datenbus gegen Zerstörung
gesichert ist, andererseits die Güte der Übertragungsqualität des Datenbusses
hierdurch aber nicht beeinträchtigt wird.
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Die Aufgabe wird mit einer Schnittstellenbaugruppe
gemäß dem beiliegenden
Schutzanspruch gelöst.
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Die erfindungsgemäße Schnittstellenbaugruppe
enthält
eine Schutzschaltung, welche jeweils eine in Sperrrichtung angeordnete
Transsorber-Diode zur Ableitung positiver bzw. negativer Überspannungen
auf den Signalleitungen des Datenbusses an das Bezugspotential der
Eigenstromversorgung aufweist. Die erfindungsgemäße Schnittstellenbaugruppe
enthält
weiterhin einen zwischen den Signalleitungen des Datenbusses und
den Transsor ber- Dioden geschalteten Brückengleichrichter, wobei jeder
Brückenzweig
eine Kapazität
aufweist, die kleiner oder gleich der zulässigen Anschlusskapazität an den
Signalleitungen des Datenbusses ist.
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Die Schnittstellenbaugruppe gemäß der Erfindung
weist vorteilhaft eine geringe Gesamtkapazität auf. Es ist somit möglich, ein
jedes an den Datenbus angeschlossenes technisches Betriebsmittel
mit einer derartigen Schnittstellenbaugruppe auszurüsten, ohne
dass die eingangs geschilderten Probleme auftreten. Für jedes
Betriebsmittel ist somit vorteilhaft eine individuelle Festschaltung,
d.h. Begrenzung, der am Eingang des Betriebsmittels anliegenden
Signalspannungen des Datenbusses, gegebenenfalls inklusive temporärer Störspannungen,
auf den jeweils zulässigen
Bereich bezogen auf das individuelle Versorgungsspannungssystem
des jeweiligen Betriebsmittels möglich.
Die Eingänge
eines jeden Betriebsmittels sind also individuell gegen Überspannung
geschützt.
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Die Erfindung wird anhand von einem,
in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel
für eine
gemäß der Erfindung
aufgebauten Schnittstellenbaugruppe T nachfolgend näher erläutert.
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Die in der Figur dargestellte Schnittstellenbaugruppe
T ist an einen Datenbus DB angekoppelt, z.B. einen Datenbus vom
Typ PROFIBUS. Der sichtbare Busabzweig ist gekennzeichnet durch
eine erste und zweite Signalleitung A und B, die in der Schnittstellenbaugruppe
T an einen Transceiverbaustein TR angeschlossen sind. Hierin werden
Datensignale auf den Signalleitungen A, B insbesondere in deren
Pegeln so angepasst, dass diese in Form von eingekoppelten Datenbusnutzsignalen
At,Bt zur Weiterverarbeitung an ein angeschlossenes, lokales technisches
Betriebsmittel, z.B. eine PLC, weitergeleitet werden können. Umgekehrt
können
auch vom Betriebsmittel erzeugte Datenbusnutzsignale in dem Transceiver
zur Einspeisung in den Datenbus DB aufbereitet werden. Aus Gründen der
besseren Übersicht
ist in der Figur kein Betriebsmittel dargestellt.
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Zur Speisung der Schnittstellenbaugruppe
T und dazu gehöriger
technischer Betriebsmittel ist eine Eigenstromversorgung SV vorhanden.
Diese stellt eine lokale Versorgungsspannung SVS und ein Massepotential
TM im Spannungsversorgungssystem der Schnittstellenbaugruppe T und
der dazu gehörigen
technischen Betriebsmittel zur Verfügung. Die lokale Versorgungsspannung
SVS wird z.B. dem Transceiver TR und weiterer technischer Betriebsmittel über einen
Abzweig SVSA zugeführt.
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Erfindungsgemäß ist eine Schutzschaltung TS
in die Schnittstellenbaugruppe T integriert. Diese weist einen ersten
und zweiten Anschluss TSA1, TSA2 an die erste und zweite Signalleitung
A, B des Datenbusses DB auf.
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Als wesentliche Elemente sind eine
erste und zweite Transsorber-Diode TSV1 und TSV2 vorhanden, welche
zur Ableitung von negativen und positiven Überspannungen auf den Signalleitungen
A, B an das Massepotential TM dienen. Bauelemente dieser Art weisen üblicherweise
einen maximalen Begrenzungsstrom in Sperrichtung von bis zu 10 – 20 A und
eine Kapazität
von 200 Pico Farad bis zu 1 Nano Farad auf.
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Damit diese Transsorber-Dioden richtig
arbeiten können,
ist zwischen diesen und den Signalleitungen A, B ein Brückengleichrichter
TSB angeordnet, der negative und positive Überspannungen auf den Signalleitungen
A, B vorzeichenrichtig auf die jeweilige Transsorber-Diode aufschaltet.
Der Brückengleichrichter
TSB weist eine erste, zweite, dritte und vierte Brückenzweigdiode
TSBA1, TSBA2, TSBA3, TSBA4 auf. Erfindungsgemäß weist jede dieser Brückenzweige
eine Kapazität
auf, die kleiner oder gleich der zulässigen Anschlusskapazität an den Signalleitungen
A, B des Datenbusses DB ist. Jeder dieser Brückenzweigdioden verfügt dabei
vorteilhaft über
eine Kapazität
von weniger als 2 Pico Farad. Diese Werte erfüllen die zulässige Anschlusskapazität eines
Datenbusses der vorliegenden Art.
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Abhängig davon, ob eine positive
oder eine negative Überspannung
auf der Signalleitung A oder B vorhanden ist, wird eine andere Reihenschaltung aus
einer Brückenzweigdiode
mit einer Transsorber-Diode aktiv. So fallen positive bzw. negative Überspannungen
auf der Signalleitung A über
der Reihenschaltung der Dioden TSBA3 und TSV2 bzw. TSBA4 und TSV1
ab. Weiterhin fallen positive bzw. negative Überspannungen auf der Signalleitung
B über
der Reihenschaltung der Dioden TSBA1 und TSV2 bzw. TSBA2 und TSV1
ab. Es stellt sich somit in jedem der möglichen Fälle eine Reihenschaltung aus
einer Brückenzweigdiode,
welche eine niedrige Kapazität
aufweist, mit einer der beiden Transsorber-Dioden, welche eine hohe
Kapazität
aufweist, ein. Die Gesamtkapazität
dieser Reihenschaltung ist bekanntlich kleiner als die Summe der
kleinsten Kapazität
in dieser Reihe.
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Hiermit kann erfindungsgemäß sichergestellt werden,
dass der maximal zulässige
Wert der Anschlusskapazität
des Datenbusses durch die Schutzschaltung in der erfindungsgemäßen Schnittstellenbaugruppe
nicht überschritten
wird.
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Schließlich sind aus fertigungstechnischen Gründen jeweils
zwei Brückenzweidioden
in Form eines Moduls aufgebaut. Bei dem in der Figur dargestellten
Beispiel bilden die Dioden TSBA1 und TSBA2 ein erste Diodenmodul
TSM1, und die Dioden TSBA3 und TSBA4 ein zweites Diodenmodul TSM2.