DE2314872B2 - Elektrische Signalübertragungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Signalübertragungsvorrichtung mit einem optoelektronischen Koppelglied, bestehend aus ^einem durch Eingangssteuersignale erregbaren Lichtsender und einem von diesem beeinflußten, auf die Lichtsignale des Lichtsenders ansprechenden Lichtempfänger, mit nachgeschalteter elektronischer Signalauswertung, welcher weiterverarbeitbare entsprechende Ausgangssignalspannungen entnehmbar sind, wie sie z. B. in der DE-OS 22 33 553 vorgeschlagen worden ist.

Bei der Übertragung von Daten von einer Sendestelle zu einer Empfangsstelle ist häufig eine vollständige elektrische Potentialtrennung zwischen dem Eingangskreis des Signalgebers und dem Ausgangskreis des Signalempfängers erwünscht Hierbei sind optoelektronische Koppelglieder bevorzugt, welche verschiedenartige Vorteile gegenüber anderen, früher verwendeten Anordnungen aufweisen. Trotz der weiten Verbreitung von Kenntnissen über die Arbeitseigenschaften solcher optoelektronischen Vorrichtungen werfen diese beträchtliche Probleme auf, wenn diese einfach und zuverlässig über längere Zeiträume arbeiten sollen. Verschiedene andere Einrichtungen, d. h. Einrichtungen, die nicht mit optoelektronischen Elementen arbeiten, sind bisher in solchen Signalübertragungsanlagen verwendet worden. Jede dieser früheren Einrichtungen hat Eigenschaften, die meist leicht durch optoelektronische Koppelmittel übertroffen werden können, aber deren unüberschaubare Arbeitsfähigkeitsdauer war in vielerlei Anwendungsfällen umstritten.

Bisher wurden Relais in Signalübertragungsvorrichtungen verwendet, wenn eine vollständige Isolation des Eingangskreises vom Ausgangskreis gewünscht wurde. Relais aber weisen die den elektromechanischen Vorrichtungen eigenen Mängel auf, wie z.B. eine zu geringe Reaktionszeit, große Abmessungen, Rüttelempfindlichkeit begrenzte Lebensdauer sowie Kontaktverschmutzung und Prelleffekt.

Im Gegensatz dazu weisen zur Potentialtrennung vorgesehene Transformatoren bei Gleichstrombetrieb gute elektrische Isolationseigenschaften zwischen den voneinander zu trennenden Stromkreisen auf, weil Primär- und Sekundärwicklung elektrisch voneinander getrennt sind. Jedoch zeigen auch Transformatoren eine Vielzahl von unerwünschten Eigenschaften, wie z. B. das Unvermögen, Gleichstromsignale übertragen zu können; auch weisen sie manchmal eine ungenügende

ίο Wechselstromisolation auf; obwohl Transformatoren eine ausgezeichnete Gleichstromisolation gewährleisten, lassen sie nämlich Störspannungsimpulse in beiden Richtungen durch.
Kapazitive Kopplungsglieder können zur Potentialtrennung zwar ebenfalls verwendet werden, weil sie den Gleichstrom sperren, aber ihre Kurzschlußfestigkeit ist unter Umständen zu gering.

Demgegenüber weisen optoelektronische Koppelglieder Eigenschaften auf, welche sie für die Signalübertragung bei geforderter vollständiger elektrischer Isolation zwischen Eingang und Ausgang besonders geeignet machen. So ist die Gleichstrom- und Wechselstromisolation bei optoelektronischen Koppelgliedern weitaus größer als bei Relais, Transformatoren oder kapazitiven Koppelgliedern. Dazu kommt daß optoelektronische Kopplungen — ebenso wie Relais — nur in jeweils einer Übertragungsrichtung betrieben werden können. Zuverlässigkeit und Lebensdauer können im übrigen durch Verwendung von lichtemittie-

jo renden Dioden und Fotodetektoren sehr verbessert werden. Trotzdem haben Signalübertragungsvorrichtungen mit optoelektronischen Koppelmittel wegen ihrer Trägheit und ihres hohen Leistungsverbrauchs bisher wenig Anklang gefunden. Demgemäß soll ein

js Schaltungsaufbau in Betracht gezogen werden, welcher die bisherigen Mängel vermeidet und optimale Eigenschaften hinsichtlich Schaltgeschwindigkeit Zuverlässigkeit und Kosten über einen breiten Temperaturbereich aufweist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter minimalem Leistungsverbrauch die Ansprechzeit bei der eingangs genannten optoelektronischen Signalübertragungsvoi richtung herabzusetzen.

Diese Aufgabe wird bei einer elektrischen Signalübertragungsvorrichtung der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ausgang der empfangsseitigen Signalauswertungsschaltung über eine nichtlineare Rückkopplung den Eingang des Lichtempfängers beeinflußt.

Demgemäß wird eine elektrisch vollständig isolierte fotoelektrische Signalübertragungsvorrichtung aufgebaut, welche ein fotoelektrisches, lichtemittierendes Element enthält, welches elektrisch vollständig vom Lichtempfänger getrennt ist. Der Lichtempfängerteil verausgabt ein elektrisches Signal beim Empfang von Licht aus dem lichtemittierenden Element und ist ausgangsseitig so gestaltet, daß ein kräftiges Ausgangssignal erhalten werden kann. Hierbei sind Maßnahmen getroffen, die das Ausgangssignal des Lichtempfängers

bo in gewünschten günstigen Grenzen halten und Ansprechzeit sowie Bauvolumen der Vorrichtung vorteilhaft beeinflussen. Dabei wird ein sich selbst anpassender fotoelektrischer Stromkreis gebildet, der viele, früheren Vorrichtungen anhaftende Nachteile überwindet.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sei zunächst auf früher angewendete Schaltungen zurückgegriffen. F i g. la zeigt eine solche Darstellung mit optoelektroni-

sehen Koppelgliedern und Fig. Ib veranschaulicht den Signalverlauf am Eingang und Ausgang der Schaltung siach Fig. la Die Fig.2 veranschaulicht eine erste Variante der Schaltung gemäß Fig. la, während die F i g. 3 eine zweite Variante hierzu zeigt In der F i g. 4a ist eine erste Schaltungsvariation zu der Schaltung nach Fig.3 veranschaulicht und in der Fig.4b ist eine weitere Variante dazu dargestellt

Die F i g. 5 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer fotoelektrischen Übertragungsvorrichtung nach der Erfindung und die Fig.6a zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung. Die Fig.6b zeigt den Signalverlauf am Eingang und Ausgang der Schaltung nach F i g. 6a und die F i g. 7a veranschaulicht einen verbesserten Eingangskreis für die Schaltung nach F i g. 6a. Die F i g. 7b zeigt die bei der Schaltung nach Fig.7a erzielbare Signalform. Die F i g. 8 zeigt eine Variante der Schaltung nach F i g. 6a, die Fig.9 veranschaulicht eine zweite Variante der Schaltungsanordnung nach F i g. 6a und die F i g. 10 ein Schaltbeispiel für einen Fotodiodenempfänger bei Anwendung in der Schaltung nach F i g. 6a.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. la wird der Fototransistor 10 im Sättigungszustand betrieben. Da Fototransistoren im allgemeinen relativ langsam ansprechen, ergeben sich bei Anwendung der veranschaulichten Schaltung erhebliche Ansprech- und Abfallverzögerungen, wie sich aus der Darstellung in Fig. Ib ergibt In dieser ist die Speicherzeit mit f_a die Ansprechverzögerung mit f</ bezeichnet, während die Anstiegs- und Abfallzeiten mit tr und t_r symbolisiert sind. Diese Zeitverzögerungen machen die Schaltung nach Fig. la in unerwünschter Weise anfällig gegen Störspannungen.

In der Schaltung nach F i g. 2 arbeitet der Fototransistor 12 im Durchlaßzustand. Das Übertragungsverhältnis von Eingangsstrom zu Ausgangsstrom schwankt beträchtlich von Ar.fbau zu Aufbau solcher Einheiten in Abhängigkeit von der jeweiligen Ausrichtung der lichtemittierenden Diode 14 gegenüber dem Fototransistor 12; ebenso geht die Wirksamkeit der Lichtquelle, des Lichtleitrohrs und des Lichtdetektors sowie die Verstärkung des Fototransistors mit ein. Wenn sichergestellt werden soll, daß mehrere solcher Einheiten gemeinsam richtig arbeiten, dann muß die Schaltung an Einheiten mit den geringsten Stromiibertiagungsverhältnissen angepaßt sein. Da Einheiten mit den besten Übertragungsverhältnissen beträchtlich mehr Strom führen als erforderlich, wachsen unnötigerweise Leistungsverbrauch, Störanfälligkeit und Verzögerungseffekte an.

Um diesen Mängeln entgegenzuwirken, ist eine Reihe von Varianten für die in F i g. 1 a und F i g. 2 angegebenen Schaltungen in Betracht gezogen worden. Eine solche Variante ist in der F i g. 3 veranschaulicht, wo der Kollektorstrom des Fototransistors 16 begrenzt wird. Die Diode 18 legt die Basisspannung des Transistors 16 auf V_B ι fest, wobei diese Spannung vermittels des Spannungsteilers R 3, RA bereitgestellt wird. Damit wird der Kollektorstrom durch den Widerstand R 5 auf ungefähr

RS

begrenzt

Diese Schaltung weist Unzulänglichkeiten auf, weil Spannungsänderungen an der Kollektorbasisstrecke des Transistors 16 auftreten und die Abschaltzeit relativ lang bleibt während die Einschaltzeit relativ günstig ist, zumal die Diode 18 ihre Begrenzungswirkung erst beginnt, wenn der Transistor 20 bereits in der Sättigung ist

Zur Lösung des Abschaltverzögerungsproblems und der damit verbundenen Impulsdehnung sind zwei weitere Schaltungsvorschläge gemäß Fig.4a und F i g. 4b in Betracht gezogen worden, welche kaskadierte Transistoren verwenden, um die Spannungen an den

ίο verschiedenen Kapazitäten des Fototransistors 21 bzw. 23 so konstant wie möglich zu halten. Dies wird durcn Verwendung einer Stromquelle mit niedriger Impedanz gewährleistet welche durch die Transistoren 17 bzw. 19 in Verbindung mit dem Kollektor des Transistors 21 bzw. dem Emitter des Transistors 23 gebildet wird. Die Verbesserung gegenüber der einfacheren Schaltung nach F i g. 2 ist jedoch nicht sehr bedeutend.

Zur Beseitigung der Mangel der zuvor erläuterten Schaltungen sieht die Erfindung einen nichtlinearen Rückkopplungskreis vor, um den Ausgangsstrom des Lichtempfängers auf einen optimalen Wert zu bringen.

Die F i g. 5 veranschaulicht ein Blockschaltbild mit der erfindungsgemäßen Maßnahme.

Ein fotoelektrischer Lichtsender 22 verausgabt ein Lichtsignal, wenn auf seinen Eingang E ein elektrisches Signal gegeben wird. Das Licht vom Lichtsender 22 fällt über ein Rohr 24 auf einen Lichtempfänger 26, der als Fototransistor ausgebildet ist Die vom Fototransistor 26 abgegebene elektrische Spannung wird in dem Verstärker 30 verstärkt, und der Ausgang A des Verstärkers 30 ist vermittels eines nichtlinearen negativen Rückkopplungsgliedes 28 auf den Lichtempfänger 26 rückgekoppelt, um dessen Ausgangsspannung innerhalb annehmbarer Grenzen zu halten. Die Realisierung dieses in F i g. 5 veranschaulichten Blockdiagramms verbessert unter Verwendung einer Diode zur Begrenzung des Kollektorstroms recht eindrucksvoll die Schaltungsmaßnahmen nach F i g. 3.
Eine Ausführungsform der Erfindung gemäß F i g. 5 ist in der F i g. 6a dargestellt Wird die Diode 32 — wie in Fig.6a veranschaulicht — an den Kollektor des Ausgangstransistors 36 angeschlossen, dann ergibt sich ein doppelter Vorteil: Anstatt einer Begrenzung des Kollektorstroms des Fototransistors 34 auf einen festen Maximalwert regelt die Diode 32, deren zweiter Anschluß mit der Basis des Fototransistors 34 verbunden ist, den Kollektorstrom auf einen gewünschten Wert. Der Leistungsverbrauch ist ständig auf ein Minimum reduziert und nur so groß gehalten, daß der

so Transistor 36 an der Sättigungsschwelle betrieben wird; da überdies die beiden Transistoren 34 und 36 im Durchlaßzustand gehalten werden, sind optimale Geschwindigkeitsbedingungen sichergestellt Fernerhin ist die Spannungsänderung an der Kollektorbasisstrecke kleingehalten, so daß deren Kapazität die Ansprechzeit nicht beeinflussen kann. Die Abschaltzeit hängt von der Kapazität der Diode 32 ab; demgemäß ist es angebracht hierfür eine kapazitätsarme schnelle Computerdiode vorzusehen und die Streukapazitäten

bo der Schaltung kleinzuhalten.

Die Ansprechverzögerung hängt von der Basisemitterkapazität des Transistors 34 und der parasitären Kapazität der Diode 32 ab; diese Kapazitäten müssen durch den anwachsenden Kollektorbasisleckstrom des Transistors 34 aufgeladen werden. Demgemäß kann die Ansprech- und Abfallverzögerungszeit beträchtlich vermindert werden, wenn der Leuchtdiode 38 des Lichtsenders ein SDeisestrom zucreführt wird, welcher

anfangs hoch liegt und schnell auf einen erlaubten Wert zurückfällt, also von dem Rechteckimpuls nach F i g. 6b etwas abweicht. Ein solcher zweckmäßig geformter Eingangsimpuls I_1n ist in der F i g. 7b veranschaulicht.

Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach F i g. 6a verläuft folgendermaßen: Sobald ein Eingangssteuerstrom / durch die lichtemittierende Diode 38 fließt, verausgabt diese ein Lichtsignal, welches über die Rohrstrecke 24 (F i g. 5) auf die Kollektorbasisstrecke des Fototransistors 34 fällt Das dabei verausgabte proportionale Stromsignal, dessen Größe von der Verstärkung des Transistors 34 abhängt, fließt in den Widerstand R1 und in die Basis des Transistors 36, wobei dieser durchlässig gesteuert wird, was ein Absinken der Spannung am Ausgang A zur Folge hat Bei dieser Ausgangsspannungsabsenkung wird (vermittels der vorgesehenen nichtlinearen negativen Rückkopplung) durch die Diode 32 Strom von der Basis des Transistors 34 abgezogen. Dabei bleiben die Transistoren 34 und 36 in ihrem Durchlaßzustand an der Schwelle der Sättigung, und der Strom des Lichtempfängers 34 wird auf dem erwünschten optimalen Pegel gehalten, der diese Arbeitsbedingung aufrechterhält Da der Kollektorstrom des Transistors 34 nun unabhängig vom Übertragungsverhältnis ist, werden Leistungsverbrauch und Störanfälligkeit erheblich gesenkt Soll der Ruhezustand wieder erreicht werden, dann wird der Eingangsstrom / abgeschaltet, wobei die Lichtemission der Diode 38 unterbrochen und der Fototransistor 34 dunkelgesteuert wird. Hierbei sinkt der Kollektorstrom des Transistors 36, und die Ausgangsspannung Va steigt bis auf den Wert Vcc an. Sind beide Transistoren 34 und 36 in Durchlaßrichtung gesteuert, sobald die Diode 38 Licht verausgabt, dann sind die Speicher- und Verzögerungseffekte relativ klein. Die Ansprechzeit ist nicht langer eine Funktion des veränderlichen Stromübertragungsverhältnisses der optoelektronischen Anordnung und auch nicht mehr eine Funktion der großen Kollektorbasiskapazität des Fototransistors 34.

Varianten der Schaltungsanordnung nach Fig.6a sind in den F i g. 8 und 9 veranschaulicht. Bei bestimmten Arbeitsverhältnissen, z. B. wenn hochfrequenztüchtige Typen für die Diode 32 und den Fototransistor 34 in Betracht gezogen werden, kann die negative Rückkopplung, welche durch die Diode 32 verursacht wird, bei Hochfrequenz auch in eine positive Rückkopplung entsprechend einer Phasendrehung von 180° umgewandelt werden. Um die Rückkopplungsschleife bei Hochfrequenz zu stabilisieren, ist ein zusätzlichei Widerstand Rq zwischen Emitter des Fototransistors 34 und Basis des Verstärkers 36 eingefügt.
Ist die optoelektronische Vorrichtung hoher

ίο Umgebungstemperaturen ausgesetzt, dann könnte dei Sperrstrom der schnellen kapazitätsarmen Diode 32 genügend anwachsen, um den Fototransistor 34 schon anzusteuern, wenn noch kein Licht von der Diode 3i verausgabt wird. Dieses unerwünschte Arbeitsverhalter kann vermieden werden, wenn man eine Diode 31 mil geringem Sperrstrom in Serie zu der Diode 32 schaltet wie dies in der F i g. 9 veranschaulicht ist Dei Leckstrom wird dann durch die Diode 32 begrenzt während die Kapazitäten an den Dioden 31 und 32 fast gleichbleiben, wie bei Verwendung der Diode 32 allein.

Obwohl alle Schaltbeispiele als Lichtempfänger einer Fototransistor zeigen, kann ebensogut auch eine Fotodiode 35 vergesehen werden, und zwar in einei Schaltung, wie sie in der Fig. 10 veranschaulicht ist

Beachtenswert ist dabei die offensichtliche Ähnlichkeil zwischen der Schaltung mit einer Fotodiode 35 nach F i g. 10 und der Schaltung nach F i g. 6a in Verbindung mit der Diode 32 und dem Transistor 34. Es kanr zweckmäßig sein, in manchen Anwendungsfällen die Schaltungen nach den Fig.8 und 9 als einzelnen monolithischen integrierten Schaltkreis oder als Hybric aufzubauen und dann das Licht auf die vollständige Struktur auffallen zu lassen. Eine solche Maßnahme würde das Stromübertragungsverhältnis verbessern. Be diesen Schaltbeispielen würde eine Fotodiode 35 ar Stelle des vorgesehenen Fototransistors 34 sowohl ah Lichtempfänger als auch gleichzeitig als nichtlineare:

Rückkopplungselement 32 arbeiten können.

Zur weiteren Vervollkommnung der Schaltbildei nach den F i g. 6a und 8 sollte die Betriebsspannung Vcc die zur Speisung der Fototransistoren in den Schalt bildern nach Fig.6a und 8 vorgesehen ist, von dei Hauptspannungsquelle vermittels .RC-Filter entkoppel sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektrische Signalübertragungsvorrichtung mit einem optoelektronischen Koppelglied, bestehend aus einem durch Eingangssteuersignale erregbaren Lichtsender und einem von diesem beeinflußten, auf die Lichtsignale des Lichtsenders ansprechenden Lichtempfänger, mit nachgeschalteter elektronischer Signalauswertung, welcher weiterverarbeitbare entsprechende Ausgangssignalspannungen entnehmbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (A) der empfangsseitigen Signalauswertungsschaltung (Verstärker 30) über eine nichtlineare Rückkopplung (28) den Eingang des Lichtempfängers (26) beeinflußt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkoppelglied (28) den durchgesteuerten Verstärkertransistor (36) an der Sättigungsgrenze hält

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkoppelglied (28) aus einer Diode (32) besteht, welche einerseits an den Kollektor des Verstärkertransistors (36) und andererseits an die Basis des Fototransistors (34) angeschlossen ist