DE2314872C3

DE2314872C3 - Elektrische Signalubertragungs- ' Vorrichtung

Info

Publication number: DE2314872C3
Application number: DE2314872A
Authority: DE
Inventors: James A. Neuner; Pa. Pittsburgh; Dean C. Fairborn Ohio Santis; Maurizio Traversi
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1972-04-04
Filing date: 1973-03-26
Publication date: 1979-06-21
Also published as: AT320758B; JPS5543298B2; DE2314872A1; DE2314872B2; JPS4919751A; CH552857A; US3902060A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische SignalübertragLi'gsvorrichtung mit einem optoelektronischen Koppelglied, bestehend aus einem durch Eingangssteuersignale erregbaren Lichtsender und einem von diesem beeinflußte'.!, auf die Lichtsignale des Lichtsenders ansprechenden Lichteinpfänger, 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 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. Sc 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 lichtemittierenden 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 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 Signalübertragungsvorrichtung herabzusetzen.

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

Demgemäß wird eine elektrisch vollständig isolierte fotoelektrische Signalübertragungsvorrichtung aufgebaut, welche ein fotoelektrisches, lichtemittierendes Flement enthält, welches elektrisch vollständig vom Lichtempfänger getrennt ist Der Lichtempfängerteil verausgabt ein elektrisches Signal beim Empfang von Licht aus dem lichternittierenden Element und ist ausgangsseitig so gestaltet daß ein kräftiges Ausgangssignal erhalten werden kann. Hierbei sind Maßnahmen getroffen, die das Ausgangssignal des Lichtempfängers 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. 1 a zeigt eine solche Darstellung mit optoelektroni-

sehen Koppelgliedern und Fig. Ib veranschaulicht den Signalverlauf am Eingang und Ausgang der Schaltung nach 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 fotoelektrischeo Übertragungsvorrichtung nach der Erfindung und die Fig.6a zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung. Die Fig.Gb zeigt den Signalverlauf am Eingang und Ausgang der Schaltung nach Fig.6a und die Fig.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 erzieibare 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 Fig.6a und die Fig. 10 ein Schaltbeispiel für einen Fotodiodenempfänger bei Anwendung in der Schaltung nach F i g, 6a.

Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 α 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* die Ansprechverzögerung mit U bezeichnet während die Anstiegs- und Abfallzeiten mit fr 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 Aufbau 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 Stromübertragungsverhältnisien 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 Γig. la und Fig. 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 Vb ι fest, wobei diese Spannung vermittels des Spannungsteilers A3, A4 bereitgestellt wird. Damit wird der Kollektorstrom durch den Widerstand R 5 auf ungefähr

, (Kn - Hi)

RS

begrenzt.

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

s Zur Lösung des Abschaltverzögerungsproblenis 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 durch Verwendung einer Stromquelle mit niedriger Impedanz gewährleistet welche durch die Transistoren 17 bzw. 19 in Verbindung mit dem Kollektor des Transistors 21

is 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 optimaler 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 F i g. 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 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 Spannungsändening an der Kollektorbasis-StrecKe 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 der Schaltung kJeinzuhalten.

Die Ansprechverzögerung hängt von der Basisemitterkapazität des Transistors 34 und der parasitären Kapazität der Diode 32 ab; diese Kapazitäten müssen durch den anwachsenden Kollektorbasisleckstroin des Transistors 34 aufgeladen werden. Demgemäß kann die Ansprech- und Abfallverzögerungszeit beträchtlich vermindert werden, wenn der Leuchtdiode 3β des Lichtsenders ein Speisestrom zugeführt wird, welcher

anfangs hoch liegt und schnell auf einen erlaubten Wert zurückfällt, also von dem Recliteckimpuls nach F i g. 6b etwas abweicht. Ein solcher zweckmäßig geformter Eingangsimpuls 4, ist in der F i g. 7b veranschaulicht.

Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach F i g. 6a verläuft folgendermallen: 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 R 1 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 Durchlaßzustanii 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 länger eine Funktion des veränderlichen Stromübertragungsverhältnisses der optoelektronischen Anordnung und auch nicht mehr eine Funktion der großen Kollektorbasiskapazität des Fototransistors 34.

Varianten der Schaltungsanordnung nach F i g. 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° umgewan-

-, delt werden. Um die Rückkopplungsschleife bei

Hochfrequenz zu stabilisieren, ist ein zusätzlicher Widerstand R₀ zwischen Emitter des Fototransistors 34

und Basis des Verstärkers 36 eingefügt.

Ist die optoelektronische Vorrichtung hohen

ίο Umgebungstemperaturen ausgesetzt dann könnte der Sperrstrom der schnellen kapazitätsarmen Diode 32 genügend anwachsen, um den Fototransistor 34 schon anzusteuern, wenn noch kein Licht von der Diode 38 verausgabt wird. Dieses unerwünschte Arbeitsverhalten

ι·-, kann vermieden werden, wenn man eine Diode 31 mit geringem Sperrstrom in Serie zu der Diode 32 schaltet, wie dies in der Fig.9 veranschaulicht ist. Der 1 eckstrom wird dann durch dip Diode 32 begrenzt, während die kapazitäten an den Dioden 5i und 32 fast gleichbleiben, wie bei Verwendung der Diode 32 allein.

Obwohl HIe Schaltbeispiele als Lichtempfänger einen Fototransistor zeigen, kann ebensogut auch eine Fotodiode 35 vorgesehen werden, und zwar in einer Schalung, wie sie in der Fig. 10 veranschaulicht ist.

Beachtenswert ist dabei die offensichtliche Ähnlichkeit zwischen der Schaltung mit einer Fotodiode 35 nach Fig. Ί0 und der Schaltung nach Fig.6a in Verbindung mit der Lftode 32 und dem Transistor 34. Es kann zweckmäßig sein, in manchen Anwendungsfällen die

jn Schaltungen nach den Fig.8 und 9 als einzelnen, monolithischen integrierten Schaltkreis or!;r als Hybrid aufzubauen und dann das Licht auf die vollständige Struktur auffallen zu lassen. Eine solche Maßnahme würde das Stromübertragungsverhältnis verbessern. Bei

j-, diesen Schaltbeispielen würde eine Fotodiode 35 an

Stelle des vorgesehenen Fototransistors 34 sowohl als Lichtempfänger als auch gleichzeitig als nichtlineares Rückkopplungselement 32 arbeiten können. Zur weiteren Vervollkommnung der Schaltbilder

nach den F i g. 6a und 8 sollte die Betriebsspannung Vcc, die zur Speisung der Fototransistoren in den Schaltbildern nach Fig.6a und 8 vorgesehen ist, von der Hauptspannungsquelle vermittels RC-Filter entkoppelt sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische SignalObertragungsvonichtung 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 weherverarbeitbare entsprechende Ausgangssignalspannungen entnehmbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (A) der empfangsseitigen Signalauswertungsschaltung (Verstärker 30) fiber eine nichtlineare Rückkopplung (28) den Eingang des is 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 RQckkoppelgüed (28) aus einer Diode (32) besteht, weiche einerseits an den Kollektor des Verstärkertransistors (36) und andererseits an die Basis des Fototransistors (34) angeschlossen ist