DE2614359B2 - Optoelektronische Zweiwegekopplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Zweiwegekopplung, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei zahlreichen Anwendungsfällen für optoelektronische Koppler können diese ohne besondere Maßnahmen nicht eingesetzt werden, da der Signalspannungspegel zu niedrig ist, um die Infrarot-Lumineszenzdiode (IRED) des optoelektronischen Kopplers direkt anzusteuern. Ein Stromversorgungsgerät kann nicht verwendet werden, da sonst die galvanisch zu trennende Seite des Signaleinganges dann wieder unzulässig mit der Netzspannung verbunden wäre.

Anwendungsbeispiele für eine optoelektronische Zweiwegekopplung, bei der der Signaleingang galvanisch vom Signalausgang getrennt ist, sind:

a) Geräte der Elektromedizin zum Schutz des Patienten,

b) Nachrichtenübertragungstechnik,

c) Tastköpfe für Oszillographen und andere Meßgeräte mit vollständiger Erdfreiheit des Vorverstärkers,

d) Schaltungen auf Hochspannungs- beziehungsweise Netzspannungs-Potential für Elektrizitätszähler und Regelschaltungen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine optoelektronische Zweiwegekopplung anzugeben, bei der auch kleine Signalspannungen unter 1 V bei galvanischer Trennung von Signaleingang und Signalausgang übertragbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Es sind Signalspannungen bis weit unter 1V übertragbar, da wenigstens ein optoelektronischer Hilfskoppler parallel zum Koppler vorgesehen ist, wodurch dessen Versorgungsspannung angehoben wird.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels d&r Erfindung und

F i g. 2 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In den F i g. 1 und 2 sind drei optoelektronische Koppler K\ bis K₃ parallel zueinander angeordnet, wobei die Koppler K₂ und K₃ eine zum Koppler K\ entgegengesetzte Koppelrichtung haben. Der Koppler K\ besteht aus einer Diode D\ als Sender und einem Transistor 71 als Empfänger. Der Koppler K₂ besteht aus einer Diode Di als Sender und einem Transistor Ti oder einer Diode als Empfänger. Der Koppler K₃ besteht aus einer Diode D₃ als Sender und einem Transistor T₃ oder einer Diode als Empfänger. Die Richtung des übertragenen Lichtes ist jeweils durch Pfeile 1 angedeutet. Die Dioden Di bis Ds sind Infrarot-Lumineszenzdioden.
Die Diode Di ist über einen Widerstand R\ mit 47 kOhm mit Eingangsklemmen 2, 3 verbunden, an denen eine Eingangsspannung U_e liegt, die < 1,0 V ist.

Die Transistoren 7} und T3 liegen mit ihrer Kollektor-Basis-Strecke in Reihe zwischen Verbindungsstellen 4 und 5 auf Leitungen, die mit den Klemmen 2,3 verbunden sind.

Die Dioden Di und D₃ sind mit einer Klemme 6 verbunden, an die ein Gleichstrom If von 50 mA abgegeben wird. Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 kann anstelle des Gleichstromes If auch ein Strom mit impulsförmigem Verlauf verwendet werden.

Durch die Dioden Di und D₃ in den Kopplern K₂ und K₃ fließt der Gleichstrom If = 50 mA. Die von den Dioden Di und D₃ erzeugte Strahlung trifft auf die Transistoren T₂ und T₃. Die Kollektor-Basis-Strecken dieser Transistoren T₂ und T₃ arbeiten als Photoelement. Jedes dieser Photoelemente erzeugt eine Spannung von 0,5 bis 0,6 V. Da die Transistoren T₂ und T₃ in Reihe geschaltet sind, geben sie eine Spannung ab, die ausreicht, um die Diode D\ zu betreiben. Der Strom durch die Diode D\ trägt ungefähr 100 μΑ. Diesem Gleichstrom überlagert fließt der Signalstrom, der von einer Signalspannungsquelle an den Klemmen 2,3 über den Widerstand R\ abgegeben wird.

Der Koppler K\ arbeitet als normaler optoelektronischer Koppler, so daß ein Ausgangssignal U_a an der Klemme 7 zur Verfugung steht. Die Klemme 7 ist über einen Lastwiderstand Rl mit einer Gleichspannungsquelle 8 verbunden, die beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 eine Spannung von 5 V und beim AusführungsbeispielderFig.212 V abgibt

Der verfügbare Strom für die Diode D\ ist verhältnismäßig gering. Daher sind nur Koppler mit großem Koppelfaktor zwischen der Diode D\ und der Kollektor-Basis-Diode des Transistors T\ geeignet. Bei dem zur Verfügung stehenden Strom liegt der Koppelfaktor des Kopplers K\ bei etwa 10%. Zu beachten ist, daß die handelsüblichen Koppler mit einem wesentlichen höheren Arbeitspunkt gemessen werden. In diesem Fall sollte der Arbeitspunkt geeignet eingestellt werden.

Es ist vorteilhaft, wenn durch die Dioden D₂ und D₃ anstelle eines Gleichstromes ein impulsförmiger Strom mit einem Spitzenwert von zum Beispiel 1 A fließt. Das

Tastverhältnis beträgt dann 0,1, damit die Verlustleistung innerhalb der zugelassenen Grenzen gehalten wird. Es steht dann für die Diode D\ ein impulsförmiger Strom > 1 mA zur Verfügung, und der Koppelfaktor für den Koppler K\ liegt bei 100%. Bei dieser Betriebsart mit impulsförmiger Stromversorgung Hegt die Grenzfrequenz des zu übertragenden Signals höher (zum Beispiel 33 kHz bei F i g. 1 und 100 kHz bei F i g. 2), und es ist keine besondere Auswahl für die Koppler erforderlich. Am Ausgang U₃ stehen in diesem Fall amplitudenmodulierte Impulse zur Verfugung. Die Pulsfrequenz muß jedoch höher als die doppelte Grenzfrequenz des Systems sein.

Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 ist die Grenzfrequenz wegen des geringen Kollektorstromes des Transistors 7} verhältnismäßig gering (3,3 kHz). Durch eine Gleichstromeinprägung in die Basis des Transistors 71 läßt sich die Grenzfrequenz jedoch auf 4,6 kHz vergrößern. Von besonderem Vorteil ist eine Cascodeschaltung aus einem Transistor 7s, Widerständen Rz, Ra, /?5 sowie dem Widerstand Ri, Der Widerstand R$ hat einen Widerstandswert von 1 kOhm. Der Widerstand Ra hat einen Widerstandswert von 1 kOhm. Der Widerstand R₅ hat einen Widerstandswert von 20 MOhm. Der Widerstand R_L hat einen Widerstandswert von lOkOhm. Der Widerstand Rs bewirkt gleichzeitig eine Gegenkopplung für die Basisstromeinprägung. Die Grenzfrequenz beträgt in diesem Fall 55 kHz.

Wenn das zu übertragende Eingangssignal U_e sehr klein ist, kann zusätzlich eine Verstärkung vor der Einspeisung in die Diode D\ vorgenommen werden. Die

ίο Stromversorgung für einen hierzu geeigneten Verstärker kann parallel zur Diode D\ vorgenommen werden. Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 2 ist hierzu eine Verstärkerstufe aus einem Transistor 7} und einem Widerstand R2 mit einem Widerstandswert von 3 MOhm vorgesehen. Selbstverständlich können auch mehrstufige Verstärker mit Gegenkopplung sowie logische Schaltungen verwendet werden.

Statt den von den Transistoren T₂ und T₃ gelieferten Strom parallel zur Signalspannungsquelle (U_c an den Klemmen 2,3) einzuspeisen, können bei niederohmigen Signalspannungsquelien auch die Transistoren 7}, 7}, die Diode D\ und die Signalspannungsquelle in Reihe geschaltet sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Optoelektronische Zweiwegekopplung, mit einem galvanisch vom Signalausgang getrennten Signaleingang für Signalspannungen bis unter 1 V, bei der ein signalübertragender optoelektronischer Koppler über seinen Sender mit dem Signaleingang und Ober seinen Empfänger mit dem Signalausgang verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein optoelektronischer Hilfskoppler (K₂, K₃) parallel zum Koppler (K\) mit zu diesem entgegengesetzter Koppelrichtung liegt, um die Versorgungsspannung des Kopplers (K₁) anzuheben.

2. Zweiwegekopplung nach Anspruch I₁ gekennzeichnet durch zwei weitere Hilfskoppler (K₂, K₃),

3. Zweiwegukopplung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Verstärkerstufe zwischen dem Signaleingang und dem Koppler (K\).

4. Zweiwegekopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Cascodeschaltung zwischen dem Koppler (K\) und dem Signalausgang.

5. Zweiwegekopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender (Di, D₃) der Hilfskoppler (K₂, K₃) mit Gleichstrom oder Impulsen beaufschlagt sind.

6. Zweiwegekopplung nach Anspruch 5, daß die Impulse nicht moduliert sind.