DE2403180A1

DE2403180A1 - Digitales verbindungsbauteil

Info

Publication number: DE2403180A1
Application number: DE2403180A
Authority: DE
Inventors: Gerald W Shearer; Edward A Wakida
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1973-02-01
Filing date: 1974-01-23
Publication date: 1974-08-08
Also published as: US3866051A; BE810490A; GB1455213A; JPS49107431A; CA1019810A

Description

Xerox Corporation
Xerox Square, Rochester, New York 14603

Digitales Verbindungsbauteil

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur elektrischen Isolierung und insbesondere auf eine Anordnung zur Isolierung einer digitalen Datenverarbeitungseinrichtung von elektrischen Störsignalen und von Spannungen, die in der Umgebung auftreten.

Elektronische Digitalrechner werden immer mehr in der Nähe von. technischen Geräten benutzt, beispielsweise als Ausgangs- bzw. Speichereinrichtungeii zur Messung und Aufnahme von Paramotcrn bei der Fertigung und Verarbeitung und als Steuereinrichtungen für die industrielle Fertigung.

In beiden Fällen wird eine Vorrichtung bemxtzt, utn einen Parameter oder einen Vorgang bzw. eine Arbeitsweise anzuzeigen oder zu steuern, wobei die Anordnung mit dem Digitalrechner oder dem Steuergerät verbunden vier den muß.

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ORIGINAL INSPECTED

Eines der Hauptprobleme, die bei der Verwendung digitaler Einrichtungen bei den obengenannten Beispielen auftreten, sind die in Zusammenhang mit der Fertigungssteuerung oft auftretenden elektrischen Störsignale und Hochspannungen.

Herkömmlicherweise wurde die Störimpuls- und Hochspannungsisolation durch mechanische Relais und Inipulsurafortaer durchgeführt. Jüngere Entwicklungen verwenden bis zu einem gewissen Umfang fotoisolioronde Techniken, die jedoch üblicherweise mindestens teilweise auf mechanische oder magnetische Kupplung nicht verzichten.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, bei der die Nachteile bekannter Anordnungen nicht auftreten. Bei einer A,i Ordnung zur elektrischen Isolierung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Verarbeitungsschaltung digitaler Information, durch eine Steuereinheit, durch eine Ein-richtung mit einer ersten optischen Anordnung zum Übertragen von Steuersignalen von der digitalen Schaltung zur Steuereinheit und durch eine Einrichtung mit einer zweiten optischen Anordnung zum übertragen von Informationssignalen von der Steuereinheit zur digitalen Schaltung.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht also ein Verbindungsbauteil zur Isolierung hoher Spannungen, die bei der Fertigung und in Industriebetrieben auftreten, von einem Digital-System. Darüfcerhinaus kann durch die vorliegende Erfindung eine Kopplungsanordnung geschaffen worden, die sehr kleine Baumaße aufweist. Dariiborhinaus ermöglicht es die vorliegende Erfindung, einen Digitalrechnergesteuerteii Wechselstromschalter zu schaffen, der Störimpulse und Spannungsspitzen vermeidet, die durch die gesteuerte Anordnung erzeugt werden and die digitalen

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Schaltungen in ihrer Funktion beeinträchtigen können.

Das digitale Verbindungsbauteil nach der Erfindung benutzt also foto-optische Kopplungstechniken sowohl im logischen Steuerschaltkreis als auch in dem Schaltkreis, der auf die Last-Fellenform anspricht, um die Isolation zwischen den digitalen Schaltkreisen und einer Umgebung, in. der hohe Spannungen und Störimpulse auftreten, zu optinalisieren. Die Erfindung, soxfie weitere Merkmale und Vorteile derselben !«"erden anhand der Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer verbesserten Kopp el schaltung für einen Wechselstromschalter¹.

Figur 2 ein Zeitdiagraram, um die Betriebsweise der Anordnung gemäß Fig. 1 zu beschreiben.

Die Anordnung der vorliegenden Erfindung ist in schematischer Darstellung in Fig. 1 gezeigt. Ein von einer Anordnung geliefertes logisches Signal wird dazu benutzt, den Betrieb des Schalters zu steuern, der eine Wechselstrom-Quelle mit einer Last verbindet. Die logische Eingangsschaltung bestellt aus einem Paar NAND-Gliedern Io und 12. Der Ausgang des Gliedes 10 ist mit der Kathode einer lichtemittierende^ Diode l4 verbunden, deren Anode über einen Widerstand 15 mit einer positiven Spannungsquelle in Verbindung, steht.

Die lichtemittierende Diode l4 steht in optischer Verbindung mit einem lichtempfindlichen Transistor 16, dessen Emitter und Kollektor mit den Eingangskleranen eines aus vier Dioden bestehenden Zweiweg-Gleichrichters l8 verbunden sind.

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Eine der Ausgangsklemmen des Gleichrichters 18 ist mit dem einen Anschluß eines Kondensators 20 und dem damit verbundenen Ladekondensator 22 verbunden. Der andere Anschluß des Kondensators 20 und des Widerstandes 22 sind mit der Null- oder Erdklemme 43 verbunden. Der Kondensator 20 ist weiterhin über einen Begrenzungswiderstand 21 mit einem Zweiweg-Schalter 24 verbunden, der seinerseits mit der Torlclemme 26 eines Triacs 28 verbunden ist. Die andere Ausgangsklemme des Gleichrichters 18 ist über ein RC-Netz_ werk , das aus einem Kondensator 34 und einem Widerstand 36 besteht, mit der Anode des Triacs 28 verbunden. Die Kathode des Triacs ist mit der Null-Klemme43 verbunden. Ein Vorwiderstand 29 verbindet das Tor 26 des Triacs 28 mit der gleichen Null-Klemme.

Parallel zum Triacs 28 ist ein Paar ge'gensinnig miteinander verbundener Zener-Diodeii 30 und 32 geschaltet, Ebenfalls parallel zum Triacs 28 ist weiterhin eine Filterschaltung gelegt, die aus einem Widerstand 38 und einem Kondensator 40 besteht, und deren Funktion darin besteht, die dv/dt-Spannungsspitze zu verringern, die dazu führen wurden, bei induktiver Belastung die Anordnung anzuschalten.

Die Anode des Triacs ist weiter über einen "egranzungswiderstand 42 mit einem der Eingangsklemmen eines zweiten Zweiweg-Diodengleichrichters 44 verbunden. Die andere Eingangsklemme des Gleichrichters 44 ist mit einer Klemme verbunden. Die Anode des Triacs 28 ist mit einer dritten Klemme 4l verbunden. Wie in der Zeichnung dargestellt, ist die Last über die Klemmen 43 und 45 angeschlossen und die der Last angelegte Wechselspannung ist über die Eingänge 4l und 45 angeschaltet.

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Die Ausgangsklemmen des Gleichrichters 44 sind mit dex~ Anode bzw. der Kathode einer zweiten lichtemittierende!! Diode 46 verbunden.. Diese lichtemittierende Diode 46 steht mit einem fotoempfindlichen Transistor 48 optisch in Verbindung, der seinerseits in einer Darlington-Anordnung mit einem zweiten Transistor 50 verbunden ist. Die Kollektoren der beiden Transistoren 48 und 50 sind mit einer positiven Spannungsquelle verbunden, während die Emitter über die Vorwiderstände 5^ bzw. 52 geerdet sind.

Der Emitter des Transistors 50 ist mit einem der Eingänge des logischen NAND - Gliedes 12 verbunden.

Der Gleichrichter 44 , die optische Verbindung 46, 48 und der Ausgangstransistor 50 bilden eine Detektionsschaltung für den Null-Spannungs-Durchgang, der infolge der Verwendung des sperrenden ( latching ) NAND-Gliedes bewirkt, daß die Wechselspannung mit Ausnahme der Null-Spanmmgs-Bedingiing nicht an die Last angelegt wird. Dadurch werden natürlich große Spannungsstoße über der Last vermieden.

Bei herkömmlichen Wechselstromschaltern wird die Verbindung vom Durchgangs-Detektor zur Eingangs-Sperrschaltung , wenn derartige Schaltungen vorgesehen sind, üblicherweise mittels einer Transformatorkopplung hergestellt. Die Verwendung eines zusätzlichen optischen Isolators in der vorliegenden. Erfindung vermeidet weitesrhin.die Spannung der hochfrequenten induktiver» Kopplung zwischen der Last und der Digital-Einheit.

Die Arbeitsweise der Anordnung wird zum besseren Verständnis anhand von. Fig. 2 in Verbinxtung mit Fig. 1 beschrieben.

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Wenn ein logisches Eingangssignal an das Eingangs-NAND-Glied 10 angelegt wird, und die zu regelnde Wechselspannung nicht am Null-Durchgangspunkt ist, so bleibt der Ausgang des NAND-Gliedes 10 hoch, wie dies in Fig.2 dargestellt ist.

Wenn die Wellenform der Wechselspannung durch den Null-Spannung s-Punkt hindurch geht, so wird die Diode 46 des Durchgangs-Detektors abgeschaltet, wobei atich der Transistor 48 abgeschaltet wird.

Der Transistor 48 seinerseits schaltet den Transistor ab, wodurch die Spannung an der Leitung abfällt, die zwischen dein Emitter des Transistors 50 und einem der Eingänge des NAND-Gliedes 12, nämlich dem Null-Durchgangs-Schalter liegt. Wenn der Eingang zum Schalter 12 auf einer niederen Spannung liegt, so geht das Ai^p gangs signal spannungsraässig hoch und verursacht zusammen mit dem hohen Eingangssignal von der logischen Quelle zum Glied 12 , dass der Ausgang des Gliedes 10 eine niedere Spannung erhält. Da am Ausgang vom Glied 12 die Spannung niedrig ist, wird die Fotodiode l4 in den aktiven Zustand versetzt, da von der Spannungsquelle +V Strom gezogen wird. Das Inbetriebsetzen der Diode l4 schaltet den Transistor l6 an, wodurch ein Strompfad durch den Gleichrichter l8 erzeugt wird, wodurch der Kondensator 20 auf etwa 8 Volt aufgeladen wird, bis der Zweiweg-Schalter 24 leitet. Wenn der Schalter 24 leitet, entlädt sich der Kondensator 20 über dem Schalter und triggert den Triac 28 über das Tor 26. Wo im der Triac einmal angeschaltet worden ist, bleibt er in diesem Zustande, bis der nächste Null-Durchgang der Wechselstromquelle von Neuem auftritt. Beim Null-Durchgangs-Funkt wiederholt sich der zuvor beschriebene Zyklus so lange, wie das logische Eingangssignal am Eingang des NAND-Gliedes 10 genau festliegt, bis der Kondensator 20 von Neuem auf-

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geladen ist, dieses Mal in umgekehrter Richtung und über den Zweiweg-SchaIter 2k entladen wird, um den Zyklus zu wiederholen.

Wenn das logische Eingangssignal am NAND-Glied 10 einen niederen Wert bekommt, erhält der Ausgang des Gliedes einen&ohen Wert, wodurch die Fotodiode l4 eingeschaltet wird. Da sich der Kondensator 20 nicht la¹ /;er aufladen kann, schaltet der nächste Null-Durchgang der Viech se !spannung den Triac ab.

Die Zener-Dioden 30 und 32 schützen die optische Kopplungsanordnung , in dem sie die Spannung auf plus oder minus 13 Volt klemmen. Die Wellenform über den Zener-Dioden ist ebenfalls in Fig. 2 dargestellt.

Selbstverständlich können viele Aus fühi-ungs formen der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Darstellungen vorgenommen werden. Es ist daher klar, daß der Gedanke und der Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht überschritten wird, wenn die Erfindung in anderen Ausführungsformen angewendet irird, als dies zuvor beispielsweise beschrieben worden ist.

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Claims

Patentansp rü ehe

l)/Anordnung zur elektrischen Isolierung, gekennzeichnet durch eine Verarbeitungsschaltung digitaler Information, durch eine Steuereinheit, durch eine Einrichtung mit einer . ersteijoptischen Anordnung ( l4,l6 ) zum Übertragen von Steuersignalen von der digitalen Schaltung zur Steuerein heit und durch eine Einrichtung mit einer zweiten optischen Anordnung ( 46, 48 ) zum Übertragen von Informationssignaleii von der Steuereinheit zur digitalen Schaltung.

-o-
2) Anordnung zur elektrischen Isolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten optischen Anordnungen ( l4, l6 bzw. 46, 48 ) Pestkörper - Elemente sind.
3) Anordnung zur elektrischen Isolierung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und / oder die zweite optische Einrichtung ( l4, l6 bzw. 46, 48 ) eine lichtemittierende Diode ( l4 bzw. 46 ) aufweist, die mit einem lichtempfindlichen Halbleiter ( 16 bzw. 40 ) optisch in Verbindung steht.
4) Anordnung zur elektrischen Isolierung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3 ι dadurch gekennzeichnet, daß der lichtempfindliche Halbleiter ( 16 bzw. 48 ) ein Fototransistor ist.
5) Verbindung zum Anschliessen einer digitalen Signalvorrichtung an eine Steuereinheit zum Anlegen einer Spannung an eine Last, g e k e η nz e i c h η e t durch eine Einrichtung zum Wirksamraachen eines ersten optischen lieges ( l4, 16 ) in Abhängigkeit von einem ersten logischen Eingangssignal und ο ine α zweiten logischen Eingangssignal, dxirch eine Einrichtung zum Anlegen eines ersten logischen Eingangssignals an die Steuereinrichtung, durch eine Einrichtung

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zum Anlegen eines zweiten logischen Signals an die Steuereinrichtung, und durch eine Einrichung zum Anlegen des zxreiten logischen Eingangssignals mit einem zweiten optischen Wog ( 46, 48 ).
6) Verbindung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß der erste optische lieg ( l4, l6 ) und/oder der zweite optische Weg (■/'·,84)sin lichtemittierendes Halbleiterelement ( l4 bzw. 46 ) und ein auf Licht ansprechendes Halbleiterelement ( l6 bzw. 48 ) aufweist.
7) Verbindung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch geken nz e i c h η e t, daß der zweite optische Weg (46, 48 ) wirksam gemacht wird, wenn die Spannung den Wert Null annimmt.

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