DE3016287A1 - Interfaceschaltung zur verwendung bei elektronischen regeleinrichtungen - Google Patents

Description

Interfaceschaltung zur Verwendung bei elektronischen

Regeleinrichtungen

Die Erfindung betrifft Isolationsschaltungen, insbesondere zur Ermittlung des Schaltzustandes eines Schalters oder Relais in einer Anlage.

Beim Entwurf elektronischer Schaltungen verwendet man häufig eine Interfaceschaltung zur Lieferung eines Ausgangssignals, das eine Anzeige dafür gibt, ob ein entfernt angeordneter Satz von Schalterkontakten offen oder geschlossen ist, wobei zwischen den Schalterkontakten und dem Ausgangssignal eine elektrische Trennung besteht. Bei Brennersteueranlagen beispielsweise überwacht eine große Anzahl von Schalter verschiedene Zustände der Brenneranlage· Die Schaltzustände dieser Schalter müssen der Brennersteuerschaltung mitgeteilt werden, jedoch ist eine elektrische Isolation zwischen den Schaltern und der Steuer- bzw. Regelschaltung erforderlich, damit mögliche Schäden der Steuerschaltung vermieden werden. Außer der elektrischen Isolation muß die Interfaceschaltung in hohem Maße störunempfindlich sein. Insbesondere bei ausgedehnten Anlagen verschmutzen Schalterkontakte häufig, und es können lange Zeiträume zwischen der Wartung vergehen. Solche Betriebsbedingungen verlangen strenge Anforderungen an die Interfaceschaltung.

Zur überprüfung des geöffneten oder geschlossenen Zustandes eines Satzes von in einem sogenannten Feld angeordneten Kontakten läßt man einen mäßig hohen Strom durch diese Kontakte fließen- Eine Kontaktverschmutzung führt im allgemeinen zu einem hohen Nebenschlußwiderstand zu diesen Kontakten, und diese Verschmutzung kann die hohen Stromwerte nicht fließen lassen, die zur Anzeige eines geschlossenen Schalterzustandes nötig sind. Außerdem ergibt der hohe Stromwert eine Störunempfindlichkeit gegen zufällige Signale, die kapazitiv an die Kontakte oder die Verbindungskabel gekoppelt werden.

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Es sind zwar im Stande der Technik verschiedene Möglichkeiten für solche Interfaceschaltungen bekannt, jedoch haben sie verschiedene Nachteile. Man kann Relais für die Isolierung zwischen den an Relaisspule und Kontakte angeschlossenen Schaltungen benutzen, jedoch lassen Kosten und Größe Relais in Fällen unwirtschaftlich werden, wo eine große Anzahl von Kontakten überwacht werden muß. Ferner haben Relais nur eine begrenzte Kontaktstandzeit und erfordern periodische Wartung. Optische Isolatoren und Photokoppler werden häufig verwendet, um Schalterzustände zu übermitteln. Die zur Zeit verfügbaren optischen Isolatorschaltungen sind Halbleitereinrichtungen, deren Parameter stark schwanken. Die durch einen optischen Isolator gegebene Verstärkung kann beispielsweise über ein Verhältnis von 10:1 variieren. Das erfordert kompliziertere Schaltungsauslegungen und häufig auch gewisse Justierungen in der Schaltung. Außerdem nimmt die Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen ab, wenn sie bestimmten extremen Umgebungsbedingungen wie Hitze oder hohe Spannungen ausgesetzt sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung schafft eine Interfaceschaltung zur Anzeige des Zustandes eines Satzes von Schalterkontakten. Die Interfaceschaltung zeichnet sich durch hohe Störunempfindlichkeit, niedrige Kosten und sehr hohe Zuverlässigkeit aus. Bei der Erfindung ist die Primärwicklung eines Transformators in Reihe mit den zu überwachenden Schalterkontakten geschaltet. Der Transformator hat einen Magnetkern mit einer stark rechteckigen Hystereseschleife.

Über die Schalter wird der Transformatorprimärwicklung periodisch eine Spannung zugeführt. Sind die Kontakte geschlossen, dann fließt ein Impulsstrom durch die Primärwicklung. Nachdem der Strom auf Null abgefallen ist, bleibt der Kern magnetisiert. Man läßt dann einen Testimpulsstrom durch die Sekundärwicklung des Transformators in einer solchen Richtung fließen, daß der Kern in der entgegengesetzten Richtung magnetisiert wird. Waren

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die Schalterkontakte zuvor geschlossen, dann tritt eine starke und schnelle Flußumkehr auf, wenn die Kernmagnetisierung durch den Testimpulsstrom umgekehrt wird. Diese Flußänderung wird durch Beobachtung des Produktes aus Zeit und Spannung des an der Sekundärwicklung auftretenden Signals festgestellt.

Wenn die Kontakte offen sind, wird der Kern durch den ersten nachfolgenden Testimpuls magnetisiert. Darauffolgende Testimpulse bewirken nur sehr kleine Flußänderungen, und das Ausgangssignal an der Sekundärwicklung ist demgemäß viel kleiner. Das an der Sekundärwicklung infolge des Testimpulsstromes auftretende Signal wird benutzt, um einen Flipflop oder ein anderes Element in einen geeigneten Zustand zu bringen, welcher den offenen oder geschlossenen Kontaktzustand erkennen läßt.

Die Erfindung läßt sich sehr kompakt und wirtschaftlich realisieren. Weiterhin sind Transformatoren von Haus aus außerordentlich zuverlässige Gebilde und geben ein hohes Maß an Isolation zwischen den Schalterkontakten und der auf das Interfaceausgangssignal ansprechenden Schaltung. Eine kurzzeitige Betätigung der Interfaceschaltung erlaubt einen hohen Strom durch die Kontakte fließen zu lassen, während nur ein relativ kleinerer mittlerer Leistungsverbrauch auftritt. Eine solche stroboskopartige Überwachung der Schalterkontakte und des Transformators ergibt außerdem eine hohe Störunempfindlichkeit.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung

Die oben erwähnten sowie weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervor: In diesen zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Erfindung;

Fig. 2, 4 und 6 Kurvenformen zur Erläuterung des Betriebs der erfindungsgemäßen Schaltung;

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Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung; und Fig. 5 alternative Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Schaltung zur Veranschaulichung des Arbeitsprinzips der Erfindung. Ein Schalter 2 stellt einen Satz von Kontakten dar, die beispielsweise mittels eines Sensors betätigt werden können und in Abhängigkeit von einem zu überwachenden Zustand geöffnet oder geschlossen werden können. Typischerweise ist der Sensorschalter 2 an entfernter Stelle angeordnet und mit dem übrigen Teil der Schaltung über ein Kabel oder eine andere Verbindungsverdrahtung verbunden, die gegen induktive oder kapazitive Störungseinkopplung empfindlich ist. Auch kann sich der Sensorschalter 2 in einer ungünstigen Umgebung befinden, welche zu Verschmutzung oder anderen Zuständen führt, die eine Lecküberbrückung über die Schalterkontakte ergeben.

Der Sensorschalter 2 ist in Reihe mit einer Stromquelle 3 und einer Primärwicklung 4 eines Transformators 5 geschaltet. Ein zweiter Steuerschalter 6 oder ein anderweitiger Stromunterbrecher liegt in Reihe mit der Stromquelle 3 und dem Sensorschalter 2. Der Steuerschalter 6 unterliegt der Steuerung durch Signale von einer Steuerschaltung 7 und wird zur Überprüfung des Zustandes des Schalters 2 periodisch geschlossen. Bei geschlossenem Schalter 2 fließt Strom durch die Primärwicklung 4 des Transformators 5.

Eine Sekundärwicklung 9 des Transformators 5 liegt in Reihe mit einem Stromimpulsgenerator 8, der ebenfalls durch Signale von der Steuerschaltung 7 gesteuert wird und periodisch der Sekundärwicklung 9 des Transformators 5 Teststromimpulse zuführt entsprechend dem Schließen und Öffnen des Schalters 6. Die Polaritäten der Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators 5 sind so gewählt, daß die Stromquellen 3 und 8 den Kern in entgegengesetzten Richtungen zu magnetisieren versuchen.

Der Kern des Transformators 5 besteht aus einem Material, das eine

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stark rechteckige Hystereseschleife hat. Fig. 2 zeigt eine idealisierte BH-Kurve für den Transformator 5. Die durch die Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators 5 von der Stromquelle und dem Impulsgenerator 8 fließenden Ströme sind groß genug, um den Transformatorkern in die Sättigung zu bringen.

Die durch den Teststromimpuls vom Stromgenerator 8 erzeugte Ausgangsspannung E über der Sekundärwicklung 9 ist durch die folgenden Gleichungen gegeben:

° dt

E_QAt = NA ΔΒ (2)

Hierbei ist N gleich die Sekundärwindungszahl, A gleich der Kernquerschnitt und B gleich die Flußdichte. Damit ist das Produkt aus Spannung mal Zeit für den Ausgangsimpuls proportional der Flußänderung.

Die Betriebsweise der "in Fig. 1 dargestellten Schaltung ist besser anhand von Fig. 2 verständlich. Auf einen Teststromimpuls vom Impulsgenerator 8 hin wird der Transformatorkern auf den Punkt A auf der in Fig. 2 dargestellten Hystereseschleife magnetisiert. Es sei angenommen, daß der Schalter 2 geschlossen ist. Wenn die Steuerschaltung 7 nun den Schalter 6 kurz schließt, dann sättigt der durch die Primärwicklung 4 des Transformators fließende Strom den Transformatorkern, wobei der Weg AB auf der Hystereseschleife durchlaufen wird. Der Kern bleibt auf dem Punkt C magnetisiert, nachdem der Schalter 6 geöffnet wird. Als nächstes wird der Impulsgenerator 8 getriggert, und durch die Sekundärwicklung 9 fließt ein Strom in solcher Richtung, daß der Fluß im Kern umgekehrt wird. Die Kernmagnetisierung durchläuft nun schnell die Strecke CD auf der Hystereseschleife. Die große Flußänderung ΔΒ im Kern erzeugt ein großes Produkt aus Spannung und* Zeit als Ausgangssignal E an der Sekundärwicklung 9.

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Wenn andererseits der Sensorschalter 2 offen ist, kann kein Strom durch die Primärwicklung 4 fließen, wenn der Schalter 6 kurzzeitig geschlossen wird. In diesem Falle bleibt der Kern im Punkt A der Fig. 2 in der Richtung des letzten vom Stromgenerator 8 gelieferten Testimpulses magnetisiert. Wenn der Impulsgenerator 8 dann durch die Steuerschaltung 7 aktiviert wird, ergibt sich keine nennenswerte Flußänderung, und die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung 9 ist dementsprechend viel kleiner.

Fig. 3 zeigt das Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung. Zwei Anschlüssen 10 wird ein Netzspannungssignal zugeführt, typischerweise ein 120 Volt-Wechselssignal von 60 Hz. Eine Seite der Netzleitung ist über eine Leitung 12 mit dem ersten Anschluß 13 eines Schalters 14 verbunden. Der andere Anschluß 15 des Schalters 14 ist mit einer zweiten Leitung 16 über die Reihenschaltung eines Widerstandes 18 mit der Primärwicklung 20 eines Transformators verbunden. Die Leitung 16 wird über einen Schalterkreis 24 periodisch mit der anderen Netzleitung verbunden. Wird der Leitung 16 Wechselspannung zugeführt, dann fließt durch die Primärwicklung 20 jedes der Transformatoren 22 ein Strom, wenn der zugehörige Schalter 14 geschlossen ist. Ist der Schalter 14 offen, dann fließt kein Strom durch die Wicklung 20. Die Größe des durch die Primärwicklung fließenden Stromes wird durch den Wert des Widerstandes 18 bestimmt.

Der Schalter 24 enthält eine Diode 26 und einen Transistorschalter 28, die in Reihe zwischen die Leitung 16 und die Netzleitungen geschaltet sind. Ein Impulsgenerator 30 führt Impulse vorbestimmter Breite der Primärwicklung eines Transformators 32 zu, dessen Sekundärwicklung zwischen Basis-und Emitteranschlüsse des Transistorschalters 28 geschaltet ist und diesen bei Zuführung eines Impulses zu den Primärwicklungen einschalten läßt. Der Transformator 32 dient zur Isolierung der Steuerschaltung von den Netzwechselspannungsleitungen, die an den Transistor 28 angeschlossen sind.

Der Transistorschalter 28 kann ein Leistungs-Darlington-Transistor sein, wie etwa ein Typ U2T713. Zwischen Emitter- und Kollektor-

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anschlüsse des Transistorschalters 32 ist eine Hochspannungs-Zener-Diode 29 zum Schutz des Transistors gegen hohe Spannungsspitzen einer Polarität auf den Netzleitungen geschaltet. Die in Reihe mit dem Kollektor des Transistors 28 liegende Diode 26 schützt zusammen mit der Diode 29 den Transistor gegen Sperrspannungen, wenn sich die Polarität der Netzwechselspannung umkehrt.

Die 60 Hz-Netzspannung wird auch einem Photokoppler 40 oder einer anderen Isoliereinrichtung zugeführt. Das Ausgangssignal des Photokopplers 40 wird einem Rechteckgenerator 42 zugeführt, der eine 60 Hz-Rechteckschwingung in Phase mit der Netzspannung liefert. Der Koppler 40 dient zur Isolierung der nachfolgenden Steuerschaltung von der Netzspannung.

Das Ausgangssignal des Rechteckgenerators 42 wird auch dem Eingang einer Verzögerungsschaltung 44, etwa einer monostabilen Schaltung, zugeführt. Unter Steuerung durch die Rechteckausgangsspannung des Rechteckgenerators 42 erzeugt die Verzögerungsschaltung 44 einen Ausgangsimpuls vorbestimmter Breite. Ein Impulsgenerator 30 wird durch die Rückflanke des Ausgangssignals der Verzögerungsschaltung 44 getriggert und liefert daraufhin als Ausgang einen Impuls an den Schaltkreis 24. Die Rechteckschwingung vom Rechteckgenerator 42 wird auch einem zweiten Impulsgenerator 50 zugeführt, dessen Ausgangssignal dem Eingang einer weiteren Verzögerungsschaltung 52 zugeführt wird.

Der Kollektor des Transistors 54 liegt in Reihe mit der Sekundärwicklung 56 des Transformators 22. Der Emitter des Transistors 54 ist über einen Widerstand 58 an eine positive Spannungsquelle angeschlossen. Der Transistor 54 ist normalerweise gesperrt. Bei Auftreten eines Impulses vom Impulsgenerator 50 wird der Transistor 54 leitend und läßt einen Strom durch die Sekundärwicklung 56 des Transformators 22 fließen. Die Größe dieses Stromes wird durch den Emitterwiderstand 58 und die Spannung am Ausgangsanschluß des Impulsgenerators 50 bestimmt.

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Der Verbindungspunkt der Sekundärwicklung 56 mit dem Kollektor des Transistors 54 liegt am D-Eingang eines D-Flipflops 60. Bei Auftreten eines Impulses vom Impulsgenerator 50 wird der Transistor 54 für ein vorbestimmtes Zeitintervall eingeschaltet und schickt einen Impuls durch die Sekundärwicklung 56 des Transformators 22. Das Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung 52 taktet das D-Flipflop 60 nach einem vorbestimmten Zeitraum nach Beginn des vom Impulsgenerator 50 gelieferten Impulses. Das zur Zeit der Taktung des Flipflops 60 an der Sekundärwicklung des Transformators 22 liegende Signal hängt davon ab, ob der Schalter 14 offen oder geschlossen ist, und das Q-Ausgangssignal des Flipflops 60 läßt den derzeitigen Zustand des Schalters 14 erkennen.

Die am Ausgang der Sekundärwicklung 22 liegende Spannung wird durch eine Diode 62 begrenzt, welche zwischen den Kollektor des Transistors 54 und eine positive Bezugsspannung V_RE„ geschaltet ist. Die Diode 62 verhindert, daß die Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators 22 nennenswert über die Bezugsspannung ansteigt.

Der Transformator 22 hat zwei Wicklungen auf einem Kern mit rechteckiger Hystereseschleife. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform enthält der Transformator 22 zwei- Toroidferritkerne, wie etwa die Fair-Rite-1/2"-Kerne Nr. 59-83-000301. Die Primärwicklung besteht aus 20 und die Sekundärwicklung aus 100 Windungen um den Kern. Die BH-Kurve des Transformators ist in Fig. 2 dargestellt und wie bereits gesagt ausgeprägt rechteckig.

Fig. 4 zeigt einige Kurvenformen zur Erläuterung der Betriebsweise der in Fig. 3 gezeigten Schaltung.(Der Zeitmaßstab ist bei diesen Kurvenformen für die hier vorgesehene Erklärung nicht konstanti In Fig. 4 also ist die Netzspannung durch die Kurvenform 70 dargestellt, und das sich hieraus ergebende Ausgangssignal des Rechteckgenerators 42 ist mit 72 bezeichnet. Die Verzögerungsschaltung 44 wird durch die Anstiegsflanke des Ausgangssignals des Rechteckgenerators getriggert, und ihre Verzögerungszeit ist

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so bemessen, daß der Impulsgenerator 30 gerade vor dem Spitzenwert der Netzspannung getriggert wird. Dies zeigt die Kurvenform 74, welche den Strom in der Primärwicklung 20 infolge des Ausgangssignals des Impulsgenerators 30 zeigt. Während des ersten Zyklus der Netzspannung gemäß Fig. 4 ist der Schalter 14 geschlossen und der Primärstromimpuls wird durch den Impuls 76 dargestellt. Während des zweiten Zyklus der Netzspannung ist der Schalter 14 offen, und es fließt kein Strom durch die Primärwicklung 20, wie bei 78 zu sehen ist.

Bei der hier beschriebenen Ausführungsform beträgt die Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltung 44 etwa 4 ms, damit der Schalterkreis 24 an der Spitze der Netzspannung einschaltet. Dadurch ergeben sich minimale Veränderungen der an der Primärwicklung 20 liegenden Spannung, wenn die zeitliche Lage des Primärstromimpulses etwas variieren sollte. Die Breite des Ausgangsimpulses des Impulsgenerators 30 und damit des Stromimpulses durch die Primärwicklung 20 beträgt etwa 500 \is. Der Widerstand 18 hat etwa 3 kOhm, so daß in der Primärwicklung 20 ein Stromimpuls von etwa 50 mA fließt.

Der Teststromimpuls durch die Sekundärwicklung 56 wird durch die Kurvenform 80 in Fig. 4 gezeigt. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist der Sekundärstromimpuls etwa 70 us lang. Die Länge des Sekundärstromimpulses ist nicht kritisch, solange er eine schnelle Anstiegszeit hat. Die Amplitude des Sekundärstromimpulses wird durch den Widerstand 58 und die Ausgangsspannung des Generators 50 bestimmt und beträgt etwa 15 mA.

Im Anschluß an die Vorderflanke des Sekundärstromimpulses wird das Flipflop 60 durch die Rückflanke des von der Verzögerungsschaltung 7 2 an den Takteingang gelieferten Impulses getaktet oder getriggert. Das Flipflop-Taktsignal ist in Fig. 4 durch die Kurvenform 82 dargestellt. Die Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltung 52 ist so gewählt, daß das Flipflop 60 30 μ,Ξ nach dem Beginn des Sekundärstromimpulses getriggert wird. Die an der

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Sekundärwicklung 56 bei Triggerung des Flipflops 60 durch das Flipflop-Taktsignal 82 auftretende Spannung zeigt,- ob der Schalter 14 offen oder geschlossen ist.

Die beiden unteren Kurvenformen in Fig. 4 haben gegenüber den darüber gezeigten Kurvenformen einen gedehnten Zeitmaßstab. Die Kurvenform 84 ist die Spannung an der Sekundärwicklung 56 sowohl für offenen wie geschlossenen Schalterzustand. Die Spannung an der Sekundärwicklung wird durch die Diode 62 auf einen relativ niedrigen Wert, typischerweise 5 Volt, geklemmt. Nach der oben angegebenen Gleichung 2 ist die Dauer ΔΤ des Ausgangsspannungsimpulses der Sekundärwicklung 56 proportional der Flußänderung im Kern des Transformators 22.

Wenn der Schalter 14 geschlossen ist, sättigt der durch die Primärwicklung 20 fließende Primärstromimpuls den Transformatorkern. Gehaltet der Transistor 54 ein, dann sättigt der durch die Sekundärwicklung 56 des Transformators fließende Strom den Kern in entgegengesetzter Richtung. Die große Flußänderung im Transformator erzeugt einen relativ lange dauernden Spannungsimpuls in der Sekundärwicklung: Dies ist im linken Teil der Kurvenform 84 in Fig. 4 zu sehen. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform dauert dieser Impuls etwa 55 με. Das Eingangssignal für den Flipflop 60 hat einen hohen Wert, wenn er getriggert wird, und das Ausgangssignal nimmt einen hohen Wert an und zeigt damit den geschlossenen Schalterzustand an.

Wenn der Schalter 14 öffnet, kann kein Strom in der Primärwicklung fließen, und der Kern bleibt in Richtung des letzten Testimpulses gesättigt. Da der Kern nahezu gesättigt ist, erzeugt der nächste Sekundärstromimpuls sehr wenig Flußänderung dm Transformatorkern . Der resultierende Spannungsimpuls in der Sekundärwicklung 56 ist viel kleiner, wie dies der rechte Impuls der Kurvenform 84 in Fig. 4 zeigt. Typischerweise beträgt die Breite dieses Impulses 5 bis 10 \is; in jedem Falle ist die Spannung an der Sekundärwicklung 56 Null oder fast Null, wenn das Flipflop 60 getriggert wird. Bei offenem Schalterzustand nimmt somit das

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Ausgangssignal des Flipflops 60 einen niedrigen Wert an.

Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung kann erweitert werden, um als Ausgang eine Anzeige des Zustandes einer großen Anzahl von Schaltern zu liefern. Wie in Fig. 3 gezeigt wurde, können der offene oder geschlossene Zustand des zweiten Schalters 14a mit Hilfe einer Schaltung bestimmt werden, die im wesentlichen identisch mit der für den Schalter 14 gezeigten ist und mit den gleichen Bezugsziffern, jedoch mit dem Zusatz "a", bezeichnet ist. Wie man aus Fig. 3 sieht, brauchen nur wenige Komponenten für jeden zusätzlichen zu überwachenden Schalter hinzugefügt zu werden. Die Impulsgeneratorschaltungen, Verzögerungsschaltungen und der Schalterkreis 84 liefern die nötigen Signale für die zusätzlichen Schalterkreise. Jeder zusätzliche Schalter benötigt nur einen Stromquellentransistor 54 mit zugehörigem Widerstand 58, Strombegrenzungswiderstand 18, Transformator 22, Diode 62 und Flipflop 60a.

In Reihe mit der Primärwicklung 20 jedes Schalterkreises und der Leitung 16 kann eine Diode 90 geschaltet werden, wie dies beim Schalter 14a gezeigt ist. Diese Dioden isolieren die Schalter und Kreise voneinander für den Fall eines Kurzschlusses oder anderer Fehlfunktion. Obgleich nicht gezeigt, sollte eine Diode in ähnlicher Weise zwischen die Leitung 16 und die zum Schalter 14 gehörige Primärwicklung geschaltet werden. Bei Verwendung von Dioden 90 ist die Diode 26 nicht notwendig.

Fig. 5 zeigt nun eine alternative Ausführungsform der Erfindung, welche sich in verschiedener Hinsicht von der Anordnung gemäß Fig. 3 unterscheidet. Obgleich Fig. 5 verschiedene Abwandlungen aufweist, versteht es sich, daß jede dieser Abwandlungen auch für sich oder in Kombination mit anderen Abwandlungen angewendet werden kann.

In Fig. 5 fehlt der Schalterkreis 24 und der Schalter 14' ist direkt über die Netz leitung in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand 18', einer Primärwicklung 20' und einer Diode 100 ge-

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schaltet. Bei geschlossenem Schalter 14' fließt während abwechselnder Halbwellen Strom durch die Primärwicklung 20 und magnetisiert den Kern des Transformators 22. Diese Schaltung enthält zwar weniger Komponenten als die gemäß Fig. 3, hat jedoch einen höheren Stromverbrauch und eine etwas geringere Störunempfindlichkeit.

Die Spannung an der Sekundärwicklung 56' ist bei der in Fig. 5 gezeigten Schaltung nicht begrenzt. Bei dieser Schaltung läßt sich aus der Amplitude anstatt aus der Dauer der über der Sekundärwicklung 56 auftretenden Spannung der Zustand des Schalters 14 ersehen. Dies wird in folgender Weise festgestellt.

Ein Eingang einer Vergleichsschaltung 102 ist mit Hilfe eines Spannungsteilers aus den Widerständen 104 und 106 auf einen Schwellwert V vorgespannt. Das Ausgangssignal von der Sekundärwicklung 56' wird direkt dem zweiten Eingang der Vergleichsschaltung 102 zugeführt. Weil die Ausgangsspannung der Wicklung 56' nicht begrenzt ist, entsteht ein Impuls relativ großer Amplitude, wenn sich der Fluß im Transformator 22'umkehrt. Es entsteht ein Impuls relativ kleiner Amplitude, wenn der Schalter 14' offen ist und sich der Transformatorfluß nicht umkehrt. Der durch die Widerstände 104 und 106 bestimmte Schwellwert ist so gewählt, daß zwischen zwei Impulsamplituden unterschieden wird.

Dies ist aus den in Fig. 6 gezeigten Kurvenformen zu sehen. Hier ist im linken Teil der Schalter 14' geschlossen und im rechten Teil geöffnet. Die Kurvenform 120 zeigt den Strom durch die Primärwicklung 20'. Ist der Schalter 14 geschlossen, dann fließt während abwechselnder Halbwellen der Netzspannung Strom durch die Primärwicklung. Ist der Schalter 14 offen, dann fließt durch die Primärwicklung kein Strom.

Die Schwingungsform 122 zeigt den vom Impulsgenerator 50' durch die Sekundärwicklung 56' geschickten Stromimpuls. Der Impulsgenerator 50' wird beim Nulldurchgang der Netzspannung getriggert, so daß der Stromimpuls in der Sekundärwicklung während des

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Zeitraumes auftritt, wo kein Strom durch die Primärwicklung 20' des Transformators fließt. Die Kurvenform 124 zeigt die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung 56' sowohl für geschlossenen als auch geöffneten Zustand des Schalters 14'. Die gestrichelte Linie 126 bezeichnet den Schwellwert V an dem einen Eingang der Vergleichsschaltung 102. Bei geschlossenem Schalter 14' ist die Sekundärausgangsspannung ein Impuls, dessen Amplitude den Schwellwert übersteigt. Dies ist im linken Teil der Kurvenform 124 gezeigt. Ist der Schalter 14' offen, dann ist die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung 56' ein Impuls sehr kleiner Amplitude, wie es die Kurvenform 124 zeigt. Die Kurvenform 126 zeigt das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 102 als Folge der Sekundärausgangsspannung 124. Wie man sieht, zeigt ein Impuls einen geschlossenen Schalterzustand an, während das Fehlen eines Impulses ein offener Schalterzustand ist.

In Fig. 5 wird das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 102 einer Diode 108 über einen Kondensator 110 zugeführt. Ein Widerstand 112 liegt parallel zum Kondensator 110. Die RC-Zeitkonstante von Kondensator 110 und Widerstand 112 ist so gewählt, daß die Spannung am Kondensator 110 während eines Zyklus der 60 Hz-Netzspannung nicht wesentlich abfällt. Diese Schaltung ist einfacher als die gemäß Fig. 3 mit einem getakteten Flipflop, jedoch ist die Ansprechzeit der Schaltung nach Fig. 5 länger als bei Benutzung eines getakteten oder getriggerten Flipflop. Nachdem der Schalter 14' öffnet, werden einige Zyklen der Netzspannung benötigt, ehe sich der Kondensator 110 über dem Widerstand 112 genügend weit entlädt, um ein einen offenen Schalter bedeutendes Signal zu ergeben. Anstatt der RCA-Schaltung in Fig. 5 kann die Verzögerungsschaltung 52 und das Flipflop 60 gemäß Fig. 3 im Sinne eines schnelleren Ansprechens benutzt werden. In diesem Falle würde das Flipflop-Triggersignal so gewählt, daß es in der Mitte des Ausgangsimpulses der Sekundärwicklung 56 auftritt, wie dies die gestrichelte Linien 128 in Fig. 6 zeigen.

Die hier beschriebene Erfindung zeichnet sich durch außerordent-

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lieh hohe Unempfindlichkeit gegen Leckstromwege über die Kontakte aus. Wegen des hohen Stroms, der für die Magnetisierung des Transformatorkerns benötigt wird, ist die Schaltung unempfindlich gegen Nebenschlüsse infolge von Verschmutzung oder Kabelkapazität. Die Erfindung zeichnet sich auch durch sehr hohe Gleichtaktunterdrückung aus. Alle Steuersignale für den Schalter 14 und die zugehörige Schaltung und die Verbindungskabel werden durch den Transformator 22 und den Transformator 32 in den Schalterkreis 24 eingespeist, so daß man zwischen dem Schalterkreis und den Schaltern 14 eine sehr hohe Isolation erhält. Wegen des hohen Maßes an Reproduzierbarkeit der Eigenschaften für den Transformator 22 können die Transformatorparameter sehr genau bei der Herstellung eingehalten werden, und es sind nach dem Zusammenbau der Schaltung keine Justierungen in der Schaltung mehr nötig.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist der Schalterkreis 2 4 nur während der Primärstromimpulse geschlossen. Es ist außerordentlich unwahrscheinlich, daß Störimpulse in der Schaltung zu anderen Zeiten den Kern ummagnetisieren. Eine Impulsbeaufschlagung der Primärwicklung 20 mit einem sehr kleinen Tastverhältnis ergibt weiterhin einen sehr geringen Leistungsverbrauch.

Es versteht sich, daß die in den Figuren 3 und 5 verwendeten Spannungen nicht von einem Wechselspannungsnetz abgeleitet werden müssen und entweder Wechsel- oder auch Gleichspannungen sein können. Ebenfalls können als Zeitsteuersignale für die Schaltung andere Signale als die 60 Hz-Netzspannung verwendet werden.

Vorstehend ist eine neue und einzigartige Schaltung zur Anzeige des Zustandes eines Schalters beschrieben worden, welche für eine Isolation zwischen Schalter und die auf dessen Zustand ansprechende Schaltung sorgt. Abwandlungen der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen liegen für den Fachmann auf der Hand. Daher sollen die hier beschriebenen Beispiele nicht im Sinne einer Einschränkung der Erfindung anzusehen sein, sondern diese ist durch die nachfolgenden Ansprüche gekennzeichnet.

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Electronics Corporation of America Cambridge, Mass. (V.St.A.)

Zusammenfassung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Interfaceschaltung zur Anzeige des Zustandes eines Satzes von Schalterkontakten und zeichnet sich durch hohe Störunempfindlichkeit und hohe Zuverlässigkeit aus. Die zu überwachenden Schalterkontakte sind in Reihe mit der Primärwicklung eines Transformators geschaltet, dessen Magnetkern eine stark rechteckige Hystereseschleife aufweist. Der Primärwicklung des Transformators wird über die Schalter periodisch eine Spannung zugeführt. Dann läßt man einen Testimpulsstrom durch eine Sekundärwicklung des Transformators fließen. Das infolge des Testimpulsstromes an der Sekundärwicklung erzeugte Signal läßt erkennen, ob die Kontakte geschlossen oder geöffnet sind.

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Claims (34)

PATEN Γ/Α.Ν\ν ÄLTk DIPL. ING. PETER SCHÜTZ DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER MAR1A-THERES1A-STRASSE 22 POSTFACH 86 02 60 D-8OOO MUENCHEN 86 TELEFON 089/47 69 06 47 68 19 AB SEPT. I98O: 4 70 60 06 TELEX 522 638 TELECtAMM SOMBEZ 10762/Sch/Vu U.S. Ser. No. 035,534 vom 3. Mai 197 9 Electronics Corporation of America Cambridge, Mass. (V.St.A.) Patentansprüche

1) Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Zustandes eines Schalters und zur Lieferung eines entsprechenden Ausgangssignals, gekennzeichnet durch einen Transformator (22) mit einem sättigbaren Kern, dessen BH-Kurve die Form einer Hystereseschleife (Fig. 2) hat und dessen Primärwicklung (20) in Reihe mit dem Schalter (14) liegt und der weiterhin eine Sekundärwicklung (56) hat, durch einen Impulsgenerator (24,30) zur periodischen Lieferung eines Signalimpulses an die Reihenschaltung von Schalter (14) und Primärwicklung (20) ausreichender Größe, um den Kern bei geschlossenem Schalter (14) in einer ersten Polarität zu sättigen, durch eine Testeinrichtung zur periodischen Zuführung eines Teststromimpulses zur Sekundärwicklung (56) im Sinne einer Sättigung des Kerns in der entgegengesetzten Polarität, und durch eine Ausgangsschaltung (60), welche unter Steuerung durch

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die an der Sekundärwicklung (56) erscheinende Sekundärspannung ein den Zustand des Schalters (14) wiedergebendes Ausgangesignal liefert.

2) Schaltungsanordnung nach Anspruch !,gekennzeichnet durch eine Einrichtung (62) zur Begrenzung der an der Sekundärwicklung (56) auftretenden Spannung zur Erzeugung eines aufgrund des Teststromimpulses auftretenden Sekundärspannungsimpulses, dessen Dauer proportional der Flußänderung im Transformatorkern ist.

3) Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung eine Einrichtung (50,52,60) enthält, welche zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach Beginn des Testimpulses auf die Sekundärspannung anspricht und das Ausgangssignal als Funktion der Sekundärspannung zu dem vorbestimmten Zeitraum liefert.

4) Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimrote Zeitpunkt etwa 30 Mikrosekunden nach Beginn des Testimpulses liegt.

5) Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung ein getriggertes Flipflop (60), das mit einem Eingang an die Sekundärwicklung (56) angeschlossen ist, und eine Triggerschaltung (50,52) zur Triggerung des Flipflops zu dem vorbestimmten Zeitpunkt nach Beginn des Testimpulses enthält.

6) Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Testeinrichtung eine gepulste Stromquelle (54,58,+V) enthält und daß die Begrenzungseinrichtung eine zwischen eine Bezugssnannung (V'-.„„) und die Sekundärwicklung (56) geschaltete Diode (52) aufweist.

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7) Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator einen Schalter (24) in Reihe mit der Reihenschaltung des zu überwachenden Schalters (14) und der Primärwicklung (20) enthält, über welchen periodisch eine Impulsspannung an die Reihenschaltung aus Schalter (14) und Primärwicklung (20) gelegt wird.

8) Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärwicklung (20) bzw. der Sekundärwicklung (56) abwechselnd Spannungsimpulse bzw. Stromimpulse zugeführt werden.

9) Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsimpulse und die Stromimpulse synchron mit einem Netzwechselsignal geliefert werden.

10) Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator ein Schalterelement (28) enthält, das in Reihe mit der Reihenschaltung aus Primärwicklung (20) und Schalter (14) am Wechselspannungsnetz liegt.

11) Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Schalterelement (24) kurzzeitig für einen Zeitraum geschlossen wird, der beim Spitzenwert jedes Zyklus des Netzwechselsignals auftritt.

12) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Sättigung des Kerns benötigte Strom durch die Primärwicklung (20) den über den Schalter (14) fließenden Leckstrom übersteigt.

13) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung eine auf die Amplitude der Sekundärspannung ansprechende Einrichtung enthält.

14) Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung eine Einrichtung (104,106)

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zur Einstellung einer Schwellwertspannung und eine Einrichtung (102) zur Lieferung eines Ausgangssignals eines ersten Wertes bei unter der Schwellwertspannung liegender Sekundärspannung und zur Lieferung eines Ausgangssignals eines zweiten Wertes bei über der Schwellwertspannung liegender Sekundärspannung enthält.

15) Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung eine Einrichtung (6O;11O,112) enthält, welche zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach Beginn des Testimpulses auf die Sekundärspannung anspricht und ein Ausgangssignal als Funktion der Sekundärspannung zu dem vorbestimmten Zeitpunkt liefert.

16) Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung ein getriggertes Flipflop (60) mit einem an den Ausgang der Schwellwertschaltung angeschlossenen Eingang und eine Triggerschaltung (50,52) zur Triggerung des Flipflops zu dem vorbestimmten Zeitpunkt nach Beginn des Testimpulses enthält.

17) Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung ein getriggertes Flipflop (60), welches auf die Sekundärspannung anspricht, und eine Triggerschaltung (50,52) zur Triggerung des Flipflops zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach Beginn des Impulses enthält.

18) Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine auf das Spitzensignal von der Schwellwertschaltung ansprechende Einrichtung (108) zur Lieferung des Ausgangssignals.

19) Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung weiterhin eine für das Ausgangssignal· der SchWe^Wertscha^ung in Reihe iiegende Diode {108) sowie eine zwischen eine Bezugsspannung (Masse) und die Diode (108) geschaltete Para^elschaltung eines Widerstandes (110) mit einem Kondensator (112) enthäit.

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20) Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator einen Schalter (24) enthält, der in Reihe mit der Reihenschaltung des zu überwachenden Schalters (14) mit der Primärwicklung (20) liegt und periodisch einen Spannungsimpuls an die Reihenschaltung des Schalters (14) mit der Primärwicklung (20) liefert.

21) Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator weiterhin eine in Reihe mit der Reihenschaltung aus Schalter (14) und Primärwicklung

(20) liegende Diode (26) sowie eine ein Netzwechselsignal an die Reihenschaltung aus Schalter (14), Primärwicklung (20) und Diode (26) liefernde Einrichtung (28) enthält.

22) Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator zwei Anschlüsse, denen das Netzwechselsignal zugeführt wird, und eine Steuereinrichtung (Schalter 24), die einen periodischen Stromdurchfluß erlaubt, enthält, und daß die Steuereinrichtung (Schalter 24), der Schalter (14) und die Primärwicklung (20) alle in Reihe miteinander zwischen die beiden Anschlüsse geschaltet sind, denen das Wechselsignal zugeführt wird.

23) Schaltungsanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen elektronisch betätigten Schalter (Transistor 28) enthält.

24) Schaltungsanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Gleichrichter (26) enthält.

25) Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, 14, 15, 19 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Sättigung des Kernes erforderliche Strom in der Primärwicklung (20) den über den Schalter

(14) fließenden Leckstrom übersteigt.

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26) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,2 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator eine Isolationseinrichtung (Transformator 32) zur elektrischen Trennung zwischen der Reihenschaltung aus Schalter (14) und Primärwicklung (20) einerseits und dem von der Ausgangsschaltung gelieferten Ausgangssignal andererseits enthält.

27) Schaltungsanordnung nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (42,44,52) zur abwechselnden Betätigung des Impulsgenerators (24,30) und der Testeinrichtung (50,54,58,60) derart, daß Stromimpulse durch die Primärwicklung (20) mit durch die Sekundärwicklung (54) fließenden Stromimpulsen abwechseln, wenn der Schalter (14) geschlossen ist.

28) Schaltungsanordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationseinrichtung einen zwischen die Steuereinrichtung und den Impulsgenerator geschalteten Transformator (3-) enthält.

29) Schaltungsanordnung zur Lieferung eines den Zustand eines Paares von Schalterkontakten wiedergebenden Ausgangssignals bei gleichzeitiger elektrischer Isolierung zwischen den Schalterkontakten und dem Ausgangssignal, gekennzeichnet durch zwei Anschlüsse zur Zuführung eines Netzwechselsignals, einen Transformator (22) mit einem sättigbaren Kern, dessen BH-Kurve eine Hystereseschleife ist und der eine Primärwicklung

(20) sowie eine Sekundärwicklung (22) aufweist, ferner durch eine Schaltereinrichtung, welche unter Steuerung durch ein ihr zugeführtes Impulssteuersignal zwischen einem leitenden und einem nichtleitenden Zustand umschaltbar ist, durch die Reihenschaltung der Schaltereinrichtung (24) mit der Primärwicklung (20) und den Schalterkontakten (Schalter 14) zwischen die Anschlüsse, durch eine BezugssxgnalscLaltung (42,44), welche unter Steuerung durch ein den Anschlüssen zugeführtes Netzwechselssignal eine Bezugsspannung liefert, die ein Maß für die Phasenlage des Netzwechselsignals ist, durch eine Stromquelle (54,58,+V), die in Reihe mit

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der Sekundärwicklung (56) des Transformators (22) liegt und unter Steuerung durch ein Testimpulssignal einen Stromimpuls durch die Sekundärwicklung (56) fließen läßt, durch einen mittels des Bezugssignals gesteuerten Impulsgenerator (30,50) zur Lieferung des Impulssteuersignals und des Testimpulssignals während ausgewählter Intervalle des Netzwechselsignals, durch eine an die Sekundärwicklung (56) angeschlossene Ausgangssignalschaltung (Flipflop 60), die unter Steuerung durch die an der Sekundärwicklung (56) auftretende Spannung und durch ein Taktsignal ein den Zustand der Schalterkontakte (Schalter 14) wiedergebendes Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Spannung an der Sekundärwicklung zu dem durch das Taktsignal bestimmten Zeitpunkt liefert, und durch einen mittels des Bezugssignals gesteuerten Taktgenerator (50,52) zur Lieferung des Taktsignals zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach Beginn des von der Stromquelle (54,58,+V) gelieferten Testimpulses.

30) Schaltungsanordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltereinrichtung (24) eine Isolationseinrichtung

(32) enthält, die bei Ansteuerung durch das Bezugssignal das Impulssteuersignal unter elektrischer Isolierung zwischen Impulssteuersignal und Bezugssignal liefert.

31) Schaltungsanordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Sekundärwicklung (56) und die Bezugsspannung (V_nTir,) eine Diode (62) zur Begrenzung der an der Sekun-

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därwicklung (56) auftretenden Spannung geschaltet ist.

32) Schaltungsanordnung nach Anspruch 29 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Schaltereinrichtung (24), der Primärwicklung (20) und den Schalterkontakten (Schalter 14) ein Strombegrenzer (18) zur Begrenzung des durch die Schalterkontakte (Schalter 14) fließenden Stromes auf einen Wert vorgesehen ist, der ausreicht, um den Transformatorkern zu sättigen, und der größer ist als der über die Schalterkontakte fließende Leckstrom, wenn diese geöffnet sind.

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33) Schaltungsanordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationseinrichtung einen Transformator (32) enthält.

34) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 5, 33, 13, 16, 23 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Hystereseschleife des Transformatorskerns rechteckig ist (Fig. 2).

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