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Schaltungsanordnung zur verlustleistungsarmen Singal-
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übertragung mit OptokoppAern Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zur verlustleistungsarmen Signalübertragung mit Optokopplern und liegt auf dem Gebiet
der elektronischen Steuerungstechnik, beispielsweise bei Eingahegeraten für digitale
Steuerungen mit galvanischer Trennung.
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Auf dem Gehiet der Signalübertragung mit galvanischer Trennung sind
je nach Anwendungsfall verschiedene Lösungsmöglichkeiten allgemein bekannt. Die
Signalübertragung kann boispielsweise mittels eines Relais, einer Feldplatte, einer
Glimm- bzw. GlühlamPe mit zugeordnetem Lichtempfänger, einer Leuchtdiode mit zugeordnetem
Lichtempfänger oder, allerdings nur bei Wechselstromsignalen, mittels eines Transformators
erfolgen.
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Die allgemeinen Eigenschaften von ODtokopplern, SDannungsfestigkei
t, tJbertragung.sfaktor, Schaltgeschwindigkeiten, Fehlermöglichkeiten und dergleichen
sind aus elektrotechnik, Heft 1/2, 1979, Seiten 10 bis 12
bekannt.
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Auf dem spezielleren Gebiet der Signalilbert,ragung mittels Leuchtdiode
und zugeordnetem Lichtempfänger sind vielfältige Arten von Optokoppiern allgemein
bekannt, die als Koppelelement in einer Baueinheit sowohl die Leuchtdiode als auch
den Lichtempfänger, meist ein Phototransistor, eine Photodiode oder einen Photowiderstand,
enthalten. Bei bekannten Schaltungsanordnungen zur Ansteuerung von Leuchtdioden
(DE-Os 28 14 856 und 28 14 850) gibt es verschiedene Möglichkeiten, die folgendes
gemeinsam haben: Der Strom für die Leuchtdiode wird von der Eingangssignalspannung
über strombegrenzende Elemente abgeleitet.
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Der Eingangssignalstrom ist dabei mindestens so hoch wie der Leuchtdiodenstrom.
Bei hohen Signalspannungen entsteht daher eine sehr hohe Verlustlelstung, die besonders
bei Unterbringung der Schaltung auf kleinstem Raum zu Uberhitzungen führt. Das ergibt
als Nachteil bei den bisherigen Anordnungen eine hohe Verlustleistung bei hohen
Signalspannungen und aus thermischen Gründen eine Unterbringung von nur wenigen
Funktionseinheiten in einem vorgegebenen Bauvolumen.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung für
die Übertragung eines Wechselsnannungsignals mit einem Optokoppler zu finden, bei
der der Eingangssignalstrom sehr klein ist und daher auch nur eine kleine Verlustleistung
selbst bei hohen Signalspannungen auftritt und bei der über die Leuchtdiode des
Optokopplers ein impulsförmiger Strom fließt, der ein Vielfaches des Eingangsstromes
beträgt.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, daß parallel zu einer Eingangsspannungsteilersohaltung
jeweils eine Diode, ein Kondensator, die Reihenschaltung eines
Widerstandes
und einer Zenerdiode und die Reihenschaltung eines programmierbaren Unijunktion-Transistors,
einer Leuchtdiode und eines Widerstandes geschaltet ist und daß der Steueranschluß
des Unijunktion-Transistors zwischen die Zenerdiode und den Widerstand gelegt ist.
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Zwischen den Steueranschluß und die Anode des programmierbaren Unijunktion-Transistors
kann ein Kondensator und parallel zu der Leuchtdiode ein Widerstand geschaltet sein.
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Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt
darin, daß auch bei sehr kleinem Eingangsatrom (gebildet durch den Eingangsspannungsteiler)
die Leuchtdiode des Optokopplers mit einem vielfachen Strom betrieben wird, weil
die Spannung für die Leuchtdiode aus dem Kondensator entnommen wird. Der kleine
Eingangsstrom bedeutet geringe Verlustleistungen und erlaubt damit hohe Packungsdichte
beim Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Die Anordnung hat noch weitere vorteilhafte Eigenschaften. Erreicht
die Eingangssignalspannung einen Mindestwert nicht, findet auch keine Kopplung statt,
da der Unijunktion-Transistor über die Zenerdiode nicht gezündet wird. Die Schaltung
hat also auch eine recht eng tolerierbare Schaltschwelle, so daß ein hoher Störabstand
gegeben ist. Da das Durchzünden des Unijunktion-Transistors stets bei der gleichen
Spannung geschieht, sind die gekoppelten Stromimpulse auch stets gleich groR. Dies
erleichtert deren Auswertung. Die durch die Eingangsspannungsteilerwiderstände und
den Kondensator gegebene RC-Kombination wirkt in vorteilhafter Weise als Siebglied
zur Störunterdrückung besonders von hochfrequenten Störsignalen auf der Eingantsspannung.
Alle Bauelemente (mit Ausnahme der Eingangsspannungsteilerwiderstände) brauchen
nur für kleine Be-
triebsspannungen bemessen werden. Dies erlaubt
den Einsatz preisgünstiger Bauelemente und eine gedrängt bestückte Leiterplatte.
Es ist ferner denkbar, die gesamte Schaltung oder wenigstens Teile von ihr in Form
einer integrierten Schaltung (IC) aufzubauen. In einem solchen integrierten Schaltkreis
ließe sich auch eine Auswerteschaltung auf der Lichtempfängerseite ganz oder teilweise
mit unterbringen.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
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An die beiden Eingangsklemmen 1 wird eine Signalwechselspannung angelegt,
die galvanisch getrennt auf einen nicht gezeigten Empfänger mittels einem optoelektronischen
Koppelelement übertragen werden soll. An die beiden Eingangsklemmen ist eine Spannungsteilersohaltung,
bestehend aus dem Längswiderstand 2 und dem Querwiderstand 3, geschaltet. Parallel
zu den beiden Eingangsklemmen sind folgende Bauteile geschaltet: Eine Diode 4, ein
Kondensator 5, die Reihenschaltung eines Widerstandes 6 mit einer Zenerdiode 7 und
die Reihenschaltung eines programmierbaren Unijunktion-Transistors 10 mit einer
Leuchtdiode 11 und einem Widerstand 12.
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Die Diode 4 bzw. die Zenerdiode 7 sind dabei derart geschaltet, daß
ihr kathodenseitiger Anschluß einmal zum Widerstand 2 bzw. zum Widerstand 6 gelegt
ist. Der programmierbare Unijunktion-Transistor 10 und die Leuchtdiode 11 sind kathodenmäßig
in Richtung auf den Widerstand 12 geschaltet. Der programmierbare Un.tiunktion-Transistor
(Zweizonen-Transistor, Doppelhasisdiode gemäß DIN 41855) weist einen Steueranschluß
auf, der zwischen die Reihenschaltung aus Widerstand 6 und Zenerdiode 7 geführt
ist. Die Leuchtdiode 11, die die
Signalübertragung auf einen nicht
dargestellten Empfänger vornimmt, ist lichtemittierende Teil eines Optokopplers.
Als Lichtempfänger kann ein in Zeichnung symbolhaft angedeuteter Phototransistor
Anwendung finden.
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Andere Arten von Lichtsendern und -empfängern können selbstverständlich
auch zum Einsatz kommen.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist parallel
zu dem Widerstand 6 ein Schutzkondensator 8 und parallel zu der Photodiode 11 ein
Ableitwiderstand 9 geschaltet. Diese Bauteile sind, da ihr Einsatz nicht zwingend
notwendig ist, in der Zeichnung gestrichelt dargestellt.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt.
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An die Eingangsklemmen 1 wird die Signalwechselspannung gelegt. Die
Widerstände 2 und 3 arbeiten als Spannungsteiler und setzen die hohe Eingangsspannung
herab. Sie bestimmen ferner die Höhe des Eingangsstromes. Der dem Widerstand 3 paral]elgeschaltete
Kondensator 5 wird von der positiven Halbwelle der Signalwechselspannung aufgeladen.
Übersteigt sein Momentanwert die Durchbruchsspannung der parallelgeschalteten Zenerdiode
7, wird der programmierbare Unijunktion-Transistor 10 gezündet. Dieser schaltet
die Optokoppler-Leuchtdiode 11 über den Widerstand 12 an die Spannung des aufgeladenen
Kondensators 5. Wird der Widerstand 12 niederohmig gewählt, fließt ein kurzer hoher
Stromimpuls über die Leuchtdiode 11. Dieser Stromimpuls beträgt in seiner Höhe ein
Vielfaches des Eingangsstromes. Der Impuls kann dann auf der Lichtempfängerseite
als Signal ausgewertet werden.
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Während der negativen Halbwelle des Eingangssignals ist der Kondensator
entladen bzw. seine Spannung erreieht
nicht die Durchbruchsspannung
der Zenerdiode 7 und der programmierbare Unijunktion-Transistor 10 wird wieder gelöscht,
damit bei der nächsten positiven Halbwelle ein neuer Stromimpuls erzeugt werden
kann. Damit der programmierbare Unijunktion-Transistor während der negativen Halbwelle
nicht an eine verpolte Spannung gelegt werden kann, leitet in diesem Fall dte Verpolschutzdiode.
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4 den negativen Strom ah.
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Der gestrichelt dargestellte Kondensator 8 soll ein Selbstzünden des
programmierbaren Unijunktlon-Transistors 10 bei einer Störung verhindern. Der Widerstand
6 leitet den Sperrstrom der Zenerdiode 7 ab und der Widerstand 9 leitet den Sperrstrom
des programmierbaren Unijunktion-Transistors 10 ab.
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Die Schaltungsanordnung arbeitet also so, daß mit dem Eingangssignal
der Kondensator 5 aufgeladen wird, während der Optokoppler dabei noch dunkel ist.
Hat die Kondensatorladung die Schwelle der Zenerdiode 7 erreicht, schaltet der Unijunktion-Transistor
10 schnell durch und gibt einen hohen Stromimpuls auf die Leuchtdiode. Es wird also
quasi eine Stromtransformation durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vorgenommen.
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Für eine lange Zeit fließt ein relativ geringer Strom in den Kondensator
5, worauf dann kurzzeitig ein hoher Strom auf die Leuchtdiode gegeben wird. Das
ergibt in vorteilhafter Weise eine sehr geringe Stromaufnahme der gesamten Anordnung,
so daß die Verlustleistung erheblich verringert wird und eine hohe Packungsdichte
an Bauteilen möglich ist.
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Vorteilhaft ist weiter, daß aufgrund der geringen Verlustleistung
(Wärmeerzeugung) die gesamte Schaltung in integrierter Technik ausgeführt werden
kann. Selbstverständlich können anstelle der Halbleiterbauteile
Unijunktion-Transistor
und Zenerdiode auch ähnliche Bauteile wie Thyristor und Diac eingesetzt werden.
So kann beispielsweise der Unijunktion-Transistor 10 durch einen Triac und die Zenerdiode
7 durch einen Diac ersetzt werden, wodurch dann auch die Verpolschutzdiode 4 entfallen
kann. Zur Ausnutzung der beiden Halbwellen der Eingangswechselspannung kann auch
ein Optokoppler mit vorgeschaltetem Gleichrichter oder mit antiparallen Leuchtdioden
verwendet werden.