DE2641912A1

DE2641912A1 - Schaltungsanordnung zur uebertragung elektrischer versorgungsleistungen

Info

Publication number: DE2641912A1
Application number: DE19762641912
Authority: DE
Inventors: Gerhard Krause
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-17
Filing date: 1976-09-17
Publication date: 1978-03-23
Also published as: DE2641912B2; DE2641912C3; FR2365236A1; FR2365236B1; JPS5337836A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT τ Unser Zeichen Berlin und München VPA ve ρ * 1 3 3 flcn

Schaltungsanordnung zur Übertragung elektrischer Versorgungslei stungen

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Übertragung elektrischer Versorgungsleistungen von einer vorzugsweise mit Netz verbundenen Primärseite zu einer vorzugsweise mit einem Kleingerät (zum Beispiel Taschenrechner, Meßgerät, Digitaluhr, Vorverstärker) verbundenen Sekundär sei te, die galvanisch von der Primärseite getrennt ist.

Bisher werden optoelektronische Koppler lediglich zur Übertragung digitaler oder analoger Daten eingesetzt. Eine Schaltungsanordnung mit optoelektronischen Kopplern, die eine Übertragung von Energie erlaubt, ist aber bisher nicht bekanntgeworden.

Allerdings wurde bereits eine optoelektronische Zweiwegekopplung, mit einem galvanisch vom Signalausgang getrennten Signaleingang für Signalspannungen bis unter 1 V vorgeschlagen, bei der ein erster optoelektronischer Koppler über seinen Sender mit dem Signaleingang und über seinen Empfänger mit dem Signalausgang verbunden ist (vergleiche deutsche Patentanmeldung 26 14 359.9).

Mit dieser Zweiwegekopplung sollen auch kleine Signalspannungen unter 1 V bei galvanischer Trennung von Signaleingang und Signalausgang übertragbar sein.

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Dies wird erreicht durch wenigstens einen weiteren optoelektronischen Koppler parallel zum ersten Koppler mit zu diesem entgegengesetzter Koppelrichtung.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Übertragung elektrischer Versorgungsleistungen, insbesondere kleiner Leistungen, anzugeben, die allgemein bei beliebigen Kleingeräten aller Art einsetzbar ist, die galvanisch vom Netz getrennt werden müssen, wobei ein geringer Platzbedarf erforderlieh ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch wenigstens einen optoelektronischen Koppler zwischen der elektrischen Energiequelle land der zu versorgenden elektronischen Schaltung, wobei der Empfänger des optoelektronischen Kopplers als Fotoelement arbeitet.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung benötigt nur sehr wenig Platz und hat ein geringes Gewicht, so daß sie auf einem Halbleiterkörper (Chip) zu integrieren ist und direkt in den Netzstecker eingesetzt werden kann. Die galvanische Trennung vom Netz ist dabei vollkommen gewährleistet.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß mehrere Fotoelemente in Reihe geschaltet sind und von einer Lumineszenzdiode bestrahlt werden.

Es ist vorteilhaft, daß die Fotoelemente in einem Halbleiterkristall integriert sind.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht auch darin, daß in der Primärseite eine oder mehrere Lumineszenzdioden in Reihe zu einem Kondensator liegen, und daß eine Diode antiparallel zu den Lumineszenzdioden geschaltet ist.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß in der Primärseite eine oder mehrere Lumineszenzdioden mit dem einen Zweig einer Diodenbrücke verbunden sind, deren anderer Zweig mit einem Anschluß über einen Kondensator an Netzspannung liegt.

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Es ist vorteilhaft, daß in der Sekundärseite zur Stabilisierung des Ausgangssignales ein Querregler vorgesehen ist.

Es ist weiterhin vorteilhaft, daß der Querregler zwischen zwei mit den beiden Enden der Reihenschaltung der Fotoelemente verbundenen Leitungen zwei Widerstände in Reihe aufweist, deren Mittelanzapfung mit der Basis eines ersten Transistors verbunden ist, dessen Emitter an die eine Leitung und dessen Kollektor einerseits über einen Widerstand an die andere Leitung und andererseits an die Basi³ eines zweiten Transistors angeschlossen ist, dessen Emitter an die eine Leitung und dessen Kollektor einerseits über einen Widerstand an die andere Leitung und andererseits an die Basis eines . dritten Transistors angeschlossen ist, dessen Emitter an die eine Leitung und dessen Kollektor an die andere Leitung angeschlossen sind.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht auch noch darin, daß der Querregler zwei einerseits mit den Enden der Reihenschaltung der Fotoelemente und andererseits mit dem Ausgang verbundene Leitungen aufweist, daß eine Mittelanzapfung zwischen zwei Dioden mit der Basis eines ersten Transistors verbunden ist, dessen Emitter mit der einen Leitung und dessen Kollektor einerseits über einen Widerstand mit der anderen Leitung und andererseits mit der Basis eines zweiten Transistors verbunden sind, dessen Emitter an die eine Leitung und dessen Kollektor einerseits über einen Widerstand an die andere Leitung und andererseits mit der Basis eines dritten Transistors verbunden sind, dessen Emitter an die eine Leitung und dessen Kollektor an die andere Leitung angeschlossen sind.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 ein Beispiel für die Ausgangsstufe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

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76P 1 133 BRD Fig. 3 Kennlinien für die Schaltungsanordnungen der Fig. 1 und. 2, Fig. 4 ein zweites AusfUhrungsbeispiel der Erfindung, Fig. 5 ein weiteres Beispiel für die Ausgangsstufe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und
Fig. 6 eine Kennlinie für die Ausgangsstufe der Fig. 5.

In der Fig. 1 besteht ein optoelektronisches Koppelelement 1 aus drei Kopplern mit jeweils einer Lumineszenzdiode 2 beziehungsweise 4 beziehungsweise 6 und einem Fotoelement 3 beziehungsweise 5 beziehungsweise 7. Mit einem Kondensator C₁ wird ein von einer Netzspannungsquelle 10 gelieferter Eingangsstrom I auf ungefähr 100 mA -- eingestellt. Der Kondensator C₁ hat hierzu eine Kapazität von etwa 1,3 /uF. Um den Einschalt-Stromstoß zu begrenzen, ist dem Kondensator C₁ ein Widerstand R₁ vorgeschaltet, der einen Widerstandswert von 100 0hm aufweist, so daß im ungünstigsten Fall kurzzeitig ein Spitzenstrom von etwa 3 A fließen kann. Da die Lumineszenzdioden 2, 4, 6 im allgemeinen nur eine Sperrspannungsfestigkeit von 3 V aufweisen, muß über ihnen die sperrende Halbwelle kurzgeschlossen werden. Hierzu ist eine Diode D₁ vorgesehen, die antiparallel zu den Lumineszenzdioden 2, 4, 6 geschaltet ist.

In der Ausgangsstufe liegt parallel zu den Fotoelementen 3, 5» 7 ein Kondensator C₂ mit einer Kapazität von 100 /uF. Die Kennlinie zwischen dem Ausgangsstrom I und der Ausgangsspannung U ist in der Fig. 3 mit a bezeichnet.

Die Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei der das optoelektronische Koppelelement 1 aus einer Lumineszenzdiode 2 und einem Mehrfach-Fotoelement 3 aus mehreren integrierten Fotoelementen besteht. Im übrigen ist hier die Ausgangsstufe gleich aufgebaut wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1. Dagegen besteht hier die Eingangsstufe aus einer Diodenbrücke 11 mit Dioden D₁, D₂, D,, D^. Die Mittelanzapfung zwischen den entgegengesetzt geschalteten Dioden D₁ und D₂ ist mit dem einen Ende der Lumineszenzdiode 2 verbunden. Die Mittelanzapfung zwischen den entgegengesetzt geschalteten Dioden

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und D^ ist mit dem anderen Ende der Lumineszenzdiode 2 verbunden. Die Mittelanzapfung zwischen den Dioden Dp und D, ist über einen Kondensator C₁ mit einer Kapazität von 0,9 /uF und einem Widerstand R₁ mit einem Widerstandswert von 100 Ohm mit der einen Klemme der Netzspannung verbunden. Die Mittelanzapfung zwischen den Dioden D₁ und D. ist mit der anderen Klemme der Netzspannung verbunden.

Die Lumineszenzdiode 2 liegt im Querzweig der Diodenbrücke 11, um beide Halbwellen der Netzspannung ausnutzen zu können. Es hat sich gezeigt, daß bei Anschluß eines Taschenrechners an die Ausgangsklemmen 15 nicht die volle, von der Schaltungsanordnung der Fig. übertragene Leistung benötigt wird, wenn der Rechner etwa 1 mW aufnimmt.

Eine wesentliche Verbesserung des Innenwiderstandes läßt sich erzielen, wenn die Ausgangsstufe stabilisiert wird. Eine derartige stabilisierte Ausgangsstufe ist in Fig. 2 dargestellt, in der einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in Fig. 1. Da die verfügbare Spannung relativ gering ist, besteht hier die Ausgangsstufe aus einem dreistufigen Querregler. Hierzu ist zwischen zwei Leitungen 16, 17, die einerseits mit der Reihenschaltung der Fotoelemente 3» 5, 7 und andererseits mit den Ausgangsklemmen 15 verbunden sind, zunächst eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen 18, 18' vorgesehen. Die Mittelanzapfung zwischen den Widerständen 18, 18* ist an die Basis eines Transistors T₁ angeschlossen. Der Emitter des Transistors T₁ ist mit der Leitung 17 verbunden. Der Kollektor des Transistors T₁ ist über einen Widerstand 19 mit einem Widerstandswert von 100 kOhm an die Leitung 16 und an die Basis eines Transistors T₂ angeschlossen. Der Emitter des Transistors T₂ ist an die Leitung 17 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors T₂ ist einerseits über einen Widerstand 20 mit der Leitung 16 und andererseits mit der Basis eines Transistors T, verbunden, dessen Emitter an die Leitung 17 und dessen Kollektor an die Leitung 16 angeschlossen sind. Der Kondendator C₂ hat wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 einen Kapazitätswert von 100 /uF.

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Diese Ausgangsstufe hat einen differentiellen Widerstand von 50 Ohm. Mit ihr läßt sich am Ausgang 15 jeder Wert zwischen der Leerlaufspannung und O V beliebig einstellen, was in der Fig. 3 durch die Kennlinie b angedeutet ist.
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Eine zur Fig. 2 ähnliche Möglichkeit zur Stabilisierung des Innenwiderstandes ist in Fig. 5 gezeigt, in der einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in Fig. Bei dieser Ausgangsstufe ist die Anode des Fotoelementes 3 direkt mit der Basis des Transistors T.. verbunden. Widerstände 21 und haben jeweils einen Widerstandswert von 1 MOhm und 100 kOhm. Die Belastungskennlinie für diese Ausgangsstufe ist in Fig. 6 gezeigt. Dabei beträgt der differenzielle Innenwiderstand etwa 100 Ohm.

Bei Integration der Ausgangsstufen der Fig. 2 und 5 können die Transistoren T₁, Tp und T^ mit den gleichen Diffusionsprozessen hergestellt werden, die für die Fotoelemente 3» 5» 7 benötigt werden. Dadurch ist eine Integration auf einem Halbleiterkörper möglich. Die Lastwiderstände 18, 18', 19, 20, 21 und 22 können dann entfallen, da hier so vorgegangen werden kann, daß bei Beleuchtung die Transistoren gleichzeitig als Stromquelle und als Verstärker arbeiten.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht eine Energieübertragung bei vollkommener Potentialtrennung, so daß mit ihr Netztransformatoren im Kleinleistungsbetrieb ersetzt werden können.

10 Patentansprüche
6 Figuren

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Leersei te

Claims

Patentansprüche

1.j Schaltungsanordnung zur Übertragung elektrischer Versorgungs-

\ / leistungen von einer vorzugsweise mit Netz verbundenen Primär-

seite zu einer vorzugsweise mit einem Kleingerät (zum Beispiel Taschenrechner, Meßgerät, Digitaluhr, Vorverstärker) verbundenen Sekundärseite, die galvanisch von der Primärseite getrennt ist, gekennzeichnet durch wenigstens einen optoelektronischen Koppler (1) zwischen der elektrischen Energiequelle und der zu versorgenden elektronischen Schaltung, wobei der Empfänger des optoelektronischen Kopplers als Fotoelement arbeitet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Fotoelemente (3) in Reihe geschaltet sind und von einer Lumineszenzdiode (2) bestrahlt werden (Fig. 4).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Fotoelemente (3) in einem Halbleiterkristall integriert sind (Fig. 4).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß in der Primärseite eine oder mehrere Lumineszenzdioden (2, 4, 6) in Reihe zu einem Kondensator (C₁) liegen, und daß eine Diode (D^) antiparallel zu den Lumineszenzdioden (2, 4, 6) geschaltet ist (Fig. 1).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß in der Primärseite eine oder mehrere Lumineszenzdioden (2) mit dem einen Zweig einer Diodenbrücke (11) verbunden sind, deren anderer Zweig mit einem Anschluß (10) über einen Kondensator (Cj) an Netzspannung liegt (Fig. 4).

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ORIGINAL INSPECTED

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6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß in der Sekundärseite zur Stabilisierung des Ausgangssignales ein Querregler vorgesehen ist (Fig. 2).

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Querregler zwischen zwei mit den beiden Enden der Reihenschaltung der Fotoelemente (3, 5, 7) verbundenen Leitungen (16, 17) zwei Widerstände (18, 18¹) in Reihe aufweist, deren Mittelanzapfung mit der Basis eines ersten Transistors (T..) verbunden ist, dessen Emitter an die eine Leitung (17) und dessen Kollektor einerseits über einen Widerstand (R,) an die andere Leitung (16) und andererseits an die Basis eines zweiten Transistors (Tp) angeschlossen ist, dessen Emitter an die eine Leitung (17) und dessen Kollektor einerseits über einen Widerstand (R^) an die andere Leitung (16) und andererseits an die Basis eines dritten Transistors (T^) angeschlossen ist, dessen Emitter an die eine Leitung (17) und dessen Kollektor an die andere Leitung (16) angeschlossen sind (Fig. 2).

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Querregler zwei einerseits mit den Enden der Reihenschaltung der Fotoelemente (3, 5, 7) und andererseits mit dem Ausgang verbundene Leitungen (16, 17) aufweist, daß die Mittelanzapfung zwischen zwei Dioden (3, 5) mit der Basis eines ersten Transistors (T..) verbunden ist, dessen Emitter mit der einen Leitung (17) und dessen Kollektor einerseits über einen Widerstand (21) mit der anderen Leitung (16) und andererseits mit der Basis eines zweiten Transistors (Tp) verbunden sind, dessen Emitter an die eine Leitung (17) und dessen Kollektor einerseits über einen Widerstand (22) an die andere Leitung (16) und andererseits mit der Basis eines dritten Transistors (T,) verbunden sind, dessen Emitter an die eine Leitung (17) und dessen Kollektor an die andere Leitung (16) angeschlossen sind (Fig. 5).

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9. Schal txingsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (T.. bis T,) des Querreglers zusammen mit den Fotoelementen (3, 5» 7) in einem Halbleiterkristall integriert sind.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Energie zum Betrieb der
Transistoren (T^ bis T,) diesen direkt über die optische Strahlung zugeführt wird.

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