DE2314873A1 - Schalteinrichtung mit einem optoelektronischen koppelglied - Google Patents

Description

Westinghouse Erlangen, den%$- MBZ. «<J

Electric Corporation Werner-von-Siemens-Str.50

Pittsburgh, PA .

Mein Zeichen: VPA 72/8341 Hf /Or

Schalteinrichtung mit einem optoelektronischen Koppelglied

Industrielle Steuersysteme erfordern häufig ein Ansprechen von Niederspannungsgleichstromsignale verarbeitenden logischen Stromkreisen in Abhängigkeit von der An- und Abschaltung von Netzwechselstrom führenden Stromkreisen. Die Erfindung verfolgt das Ziel, dies mit einer optoelektronischen Anordnung zu erreichen und dabei ferner einen Schutz gegen unerwünschte Störsignale zu gewährleisten, welche den Niederspannungssignalstromkreis beeinträchtigende Signalspannungsspitzen erzeugen könnten. Hierbei müssenJGröße, Ge-

wicht und Kosten einer solchen Einrichtung möglichst klein gehalten werden.

Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Schalteinrichtung mit einem optoelektronischen, aus Lichtsender und -empfänger bestehenden Koppelglied zur potentialgetrennten Umsetzung von Eingangssteuersignalen in entsprechende Ausgangssignale, und die Erfindung besteht darin, daß der Lichtsender in einen durch Öffnen und Schließen primär steuerbaren . eine hohe Gleich- oder Netzwechselspannung führenden Stromkreis einbezogen ist und daß dem Lichtempfänger eine elektronische Schaltvorrichtung nachgeschaltet ist, die mit Niederspannungsgleichstrom Verborgt wird und sekundär Niederspannungsgleichsifcromsignale verausgabt, die den primären Eingangssignalen entsprechen und die auf einem Spannungsniveau liegen, das für die Ansteuerung nachgeschalteter, signalverarbeitender logischer Steuerbausteine bemessen ist.

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iusführungsbeispiele der Erfindung seien anhand von 3 Figuren näher erläutert.

Nach Fig. 1 ist ein optoelektronisches Koppelglied zwischen einen Netzspannung führenden schaltbaren Eingangskreis und einen Niederspannung, führenden logischen Ausgangskreis geschaltet. Dieser gibt - je nach Steuerzustand - ausgangsseitig ein L-Signal bzw. ein O-Signal ab. Solche logischen Signale dienen als Steuersignale für befehlverarbeitende weitere logische Bausteine. Eine Fotodiode, welche in den Netzspannungskreis eingeschaltet ist, Vermag einen Helloder Dunkelzustand einzunehmen. Ein Fototransistor mit einer Basis, einem Kollektor und einem Emitter ist in der Nachbarschaft der Fotodiode angeordnet und empfängt das von dieser ausgesendete Licht, wenn die -Fotodiode stromführend ist. Eine Kapazität zwischen Basis und Emitter des Fototransistors hält schädliche Störspannungen von der Basis fern. Zwischen dem Kollektor des Fototransistors und dem Ausgang der Anordnung ist ein positiver Rückkopplungsweg vorgesehen, um den Anstieg und den Abfall des Ausgangspotentials zu beschleunigen, um eine Hysteresecharakteristik zu liefern und ferner um die Störsicherheit zu verbessern. Ein logischer Puffer, der zwischen Kollektor des Fototransistors und Ausgang geschaltet ist, soll die Schaltgeschwindigkeit zwischen den logischen Zuständen (L-Signal, O-Signal) erhöhen.

Die Erfindung gestattet es, vermittels der optoelektronischen Anordnung eine vollständige elektrische Isolation zwischen dem Netzspannungsteil und dem Niederspannungsteil sicherzustellen, in welch letzterem Mikrologikstromkreise vorgesehen sein können.

In der Fig. 1 sind die Klemmen 10, 12 an eine örtliche Wechselstromquelle von z.B. 220 V, 50 Hz oder 115 V,..

60 Hz angeschlossen. Die an den Klemmen 10, 12 anliegende

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ORIGINAL INSPECTED

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Wechselspannung speist über einen taktbaren Schalter 24 und über Schutzwiderstände 16, 18 eine Vollweg-Gleichrichterbrücke 14 mit den Gleichrichtern 26, 28, 30, 32. An den Aus'gangsklemmen 20, 22 der Brücke 14 ergibt sich bei geschlossenem Schalter 24 somit eine Gleichspannung, welche die lichtemittierende Diode 36 in dem Gehäuse 34 speist. Das von der Diode 36 abgegebene Licht fällt auf den ebenfalls in dem Gehäuse 34 untergebrachten Fototransistor 38, dessen Basis über einen Kondensator 40 mit dem Emitter des Fototransistors verbunden und über die Klemme 42 geerdet ist. Der Kollektor des Fototransistors 38 liegt an der Klemme 44, welche die Eingangsklemme eines logischen, zur Pufferung und Impulsformung vorgesehenen Schaltkreises 46 ist. Dieser besteht aus zwei hintereinandergeschalteten Umkehrstufen 48 und 50, und der Ausgang des Schaltkreises 46 liegt an der Ausgangsklemme 52, während die weitere Ausgangsklemme 54 geerdet ist. Der Ausgang 52 ist über den Widerstand 56 mit dem Eingang 44 des Schaltkreises 46 verbunden, womit eine positive Rückkopplung erzielbar ist. Die beiden dargestellten Inverter 48 und 50 des Schaltkreises 46 sind in DTL-Technik ausgeführt, können aber auch aus diskreten Bauelementen aufgebaut sein. Einzelheiten dieser Inverter 48 und 50 im Schaltkreis 46 sind in der Fig. 3 veranschaulicht. Ihr Schaltungsaufbau ist erfindungeunwesentlich, weshalb sich eine nähere Erläuterung dazu erübrigt.

Die optoelektronische Schalteinrichtung nach Fig. 1 erlaubt es, den Zustand des Schalters 24 nachzubilden, welcher einen gegebenenfalls störspannungsverseuchten Netzspannungsstromkreis öffnet und schließt. Das den Schalterzustand abbildende Signal wird hinter dem Fototransistor 38 zur weiteren Verarbeitung in ein Niederspannungssignal umgewandelt.

Bevor auf die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 1 eingegangen wird, sei anhand der Fig. 2a * 2c einiges über die Anwendung vorangestellt.

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Bei einer Walzwerksteüerung (Pig. 2a) ist der Bedienungsmann in einer Kanzel 58, also in desi Kommandostand der Walzwerkanlage, untergebracht. Der Bedienungsmann hat in seiner Kanzel eine große Anzahl von Sehaltern, Druckknopfen usw., von denen er einige manuell direkt und andere indirekt bedient. Die zu steuernden Einheiten 60, z.B. Moterstromkreise, sindifiufig weit entfernt von der Kanzel 58 angeordnet, so daß eine Kabelverbindung mit einer großen Anzahl von Adern zu den Einheiten 60 verlegt werden muß. Zur Vermeidung solcher VieldrahtverbindungBleitungen können - wie die Fig. 2b veranschaulicht - Multiplexsehalter vorgesehen sein, die vermittele eines Mutlplexgliedes 62 und eines Demultlplexgliedes 66 über eine einzige Multiplexübertragungsleitung die Befehle übertragen. In dem Demültiplsxglied 66 werden die Signale dekodiert und dann au den Einheiten 60 übertragen» Dia entsprechenden Stromkreise öffnen öäar schließen, je nachdem wie dies durch das Kommandosignal aus der Kanzel 58 vorgegeben wird.

Wird ein mechanischer Schalter geschlossen, dann MxB dabei' jeweils ein isolierender Gscy&belag auf den Kontakten überwunden werden. Diesjerfordert eine Mindestarbeitsspannung von etwa 48 V an den Kontakten.Überdies muß zur Kontaktreinigung ein bestimmter Stromanstieg gefordert werden. Jede einwandfreie Sigaal- oder Leistungsübertragung ist nur bei Beachtung dieser Umstände möglich. Einer der Vorteile dieser Erfindung besteht in dem Umstand, daß sie mit den üblichen und allgegenwärtigen iietsspanmi2igsv@rhältniss®n_e wie z.B. 115 V oder 220 V Wechselstrom von 50 H^ oder 400 Hb oder irgendwelchen GIeichspanauagen oberhalb 48 V auskommt, so daß besonder» Spa&mmgsversorgungen nicht erforderlich sind.

Ein ander&s Problem bei mechanischen Schaltern ^©steht darin, daB sie ainen sogenannten Prelleffekt zeigen, alao beim

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Schalten jeweils für ein kurzes Zeitintervall flattern und erst nach einer gewissen Zeit einen Ruhezustand einnehmen, bei dem sie entweder vollständig geschlossen oder vollständig geöffnet sind* Die Dauer dieses Platteras ist «ine Funktion der Schalterqualität« Ein guter Schalter wird wenig flattern, während ein Schalter schlechter Qualität manchmal 5 Millisekunden lang heim öffnen oder Schließen Flattererscheinungen zeigt, wie dies die Fig. 2c veranschaulichen soll. Wenn solche Flattererscheinungen am Ausgang einer elektrooptischen Anordnung nach Fig.1 auftreten, dann kann ein nachgeschaltetes Multiplexsystem nach Fig. 2B während einer Periode der Zweideutigkeit falsche Signale verausgaben.

Wenn der Schalter 24 (Fig. 1} geschlossen wird, dann ergibt sich durch Vollweggleichrichturig der Gleichrichterbrücke 14 an den Ausgangsklemmen 20, 22 eine Gleichspannung. Die lichtemittierende Diode 36 nimmt somit gleichgerichteten Strom auf und verausgabt Lichtstrahlenimpulse, welche die Basi3-/Emitter8trecke des Fototransistors 38 beeinflussen und diesen durchsteuern.

Flattern des Schalters 24 und die Restwelligkeit der gleichgerichteten Versorgungsspannung für die Diode 36 erzeugen schädliche Impulsspannungsspitzen, die ausgeschieden werden müssen. Die Basis-/Emitterimpedanz des Fototransistors 38 ist hoch; deshalb ist es angebracht, vermittels der Kapazität 40 diese Spasnungsspitzen nach Erde abzuleiten. Auf diese Weise hat der entsprediende Gleichstromdurchschnittswert der Erregung, welcher von dem auf den Fototransistor 38 fallenden Licht herrührt, einen wahrnehmbaren Effekt auf den Leitfähigkeitszustand des Fototransistors 38.

Der Kollektor des Fototransistors 38 liegt bei dessen Sperrzustand auf positivem Potential. Sobald der Fototran-

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3istor 38 durehzußtQuerß fetgiaat> fällt das Eollektorpotential langsam gegea Dr dp Q teat i al <, Bas fallende ICallektorpotential bewirkt am Ausgang &®s Inverters 48 ©Ine Inäerung der Signalspannung von 0-Sigaal ίπ ^-Signal, und am Ausgang des Inverters 50 von Ji-Signal- g©g@a Ö-Signal. Da der.Sondensator 40 zwischen Basis und Hsitter S©e latotranaistors 38 den Aufbau des Leitsustandes Verlangeaists wird sieh auch der Übergang dts Inverterausgesgs vom ©ia@m Zuatanö. in denanderen verlangseiEen« Die positiT® lüslslsegplujig vermittels des Widerstandes 56 beschleunigt Jeäosfe ü±qsq Arbeitsphas©· Der Ausgang dee Inverters 50 befiMtt uteh im 0>ZTSjstand_v wenn der Soh*lt*rkQn1sl& ^4 gteelalöseöii ist uaä b@£iad@t gi©h im !-Zustand» wtnn 4er Eontekt 34

Sie positiv! RüeklEoppli»f vosE&ittole ies Widoreiandes 36 baetagt eine nichtlineer® Hyatar-es® ia öl© §ofe@löisrioh.tung ia dem Sinne» daß der Fototransistor 38 -@.©te Sti⁵©® führt, wean der Ausgang voa L-Zustanö i»_? €©a .O-Zustgag ü^orgeht _s- als wsan er voa O-Zustand in äen £-»>g«©i3asi tlfeergeht. Dies bewärlt'ein@a Piltereffefct, d.li« oe wiotat ii@ laaiaEiliät der Anordnung gegen

Beim Wechsel d«s Selieltersiisteaäs ©ygeteea'sich ¥trs5ög©rungen in der ffröSenorfeusg von ca. "10 · 1.0" Sekunden; wenn aber der Ausgange aus taisd des logischen Ireiees 46 sich ändert, dann geschieht das pl8tslich₉ d.h« ia weniger als 1 · 10"* selc.

Die btschltunigte Änioriing aja- Auagasg des Inverters 50_p welche durch die- positive RüeldsoBwlisst® boüirkt wird, macht die Schalttranordnuiig brauchbai/di© Aaateuerung'von integrierten T3JIr-Schaltkreisen_s was erfordert_r daß die'ümsöhlagzeit von'ein·» SignalaustaM ia d©ü asterea weniger, als 1,0 · 10 sek. betragen sollte.

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Ist der Schalter 24 in einer großen Entfernung zu der Optoelektronik angeordnet, dann ist es notwendig, Vorsorge gegen Störspannungen zu treffen, welche den logischen Schaltkreisen schaden könnten. Solehe Störepannungen können tos Streufeld in den Kabeln zwischen Schalter 24 und der Optoelektronik induziert werden. Die Anordnung· nach fig. 1 ist gegen Störspannungen in der Gröflenordnung von 1,5 * 10 bis 2,5 * 10³ V geschützt.

6 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims (6)

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   - 8 Patentansprüche

   M.ISchalteinrichtung mit einem optoelektronischen, aus Lichtsender und -empfänger bestehenden Koppelglied zur potentialgetrennten Umsetzung von Eingangssteuersignalen in entsprechende Ausgangssignale,dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (36) in einen, durch öffnen und Schließen primär steuerbaren, eine hohe Gleich- oder Netzwechsel-. spannung führenden Stromkreis (10 bis 30) einbezogen ist und daß dem Lichtempfänger (38) eine elektronische Schaltvorrichtung (46) nachgeschaltet ist, die mit Niederepannungsgleichetrom versorgt wird und sekundär Niederspannungsgleichetromsignale verausgabt, die den primären Eingangssignalen entsprechen und die auf einem Spannungsniveau liegen, das für die Ansteuerung nechgeschalteter aignalverarbeitender logischer Steuerbausteine bemessen ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem als fotodiode (36) ausgebildeten, in den primären, binär· taktbaren Netz Stromkreis eingefügten Lichtsender abgegebenen Strahlungsimpulse einen zugeordneten Lichtempfänger nach Art eines Fototransistors (38) beaufschlagen, dessen Emitter (42) auf Bezugspotential des sekundären, Hie der spannung führenden Gleichetromversorgungskreises liegt, dessen Basis über einen Kondensator (40) mit dem Emitter verbunden sein kann und dessen am Kollektor (44) abgreifbaren binären SignalSpannungen Über einen Impulsformer (46) zum Ausgang (50, 52) geführt sind, von dem die Steuerspannungen für nachfolgende die Eingangs-Steuerbefehle verarbeitende Steuer- und Regelorgane abgeleitet werden.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformer (46) aus zwei hintereinandergeschalteten Signalumkehrstufen (48, 50) besteht, von denen der Auegang der letzten auf den Eingang der ersten galvanisch rückgekoppelt ist. "*

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4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der primäre Stromkreis (10 bis 30) einen als Schalter (24) ausgebildeten Taktgeber zum Schließen und Öffnen des die Potodiode (36) enthaltenden Stromkreises aufweist.
5. 5. Einrichtung nach A_nspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Potodiode (36) bei geschlossenem Schalter (24) erregt, bei gööffnetem Schalter entregt ist.
6. 6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, bei wechseistromführendem PrimärStromkreis, dadurch gekennzeichnet, daß die Potodiode (36) über einen Vollweggleichrichter (14) in den Primärstromkreis einbezogen ist.

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