DE3210509A1

DE3210509A1 - Rapid electronic coupling device for the floating transmission of digital electrical control signals

Info

Publication number: DE3210509A1
Application number: DE19823210509
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr.-Ing. 3167 Burgdorf Harms
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-03-23
Filing date: 1982-03-23
Publication date: 1982-12-09

Abstract

The signals are transmitted in the form of short pulses via a simple low-scatter pulse transformer. With the aid of suitable electrical components, the transmitted pulses lead to rapid charging and discharging, or charge reversal, of a capacitor which temporarily stores the signal state. The coupling device transmits any desired digital signals, at a low cost and without using an auxiliary voltage source, with a time delay of 10 to 100 nanoseconds depending on the design and the capacitive load. The coupling device may be designed as an integrated circuit. <IMAGE>

Description

Schnelle elektronische Koppeleinrichtung zur potential-Fast electronic coupling device for potential

freien Übertragung digitaler elektrischer Steuersignale Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur unverzögerten und potentialfreien Übertragung elektrischer Signale, wie sie in digitalen Steuerschaltungen oder im Steuerkreis von Bauelementen der Leistungselektronik vorkommen. Die erforderliche Energie zum schnellen Auf- und Abbau oder zum Erhalt der Steuerspannung wird kurzzeitig einmal oder mehrmals periodisch übertragen, so daß Hilfsspannungsquellen nicht erforderlich sind.free transmission of digital electrical control signals The invention relates to an arrangement for the instantaneous and potential-free transmission of electrical Signals such as those in digital control circuits or in the control circuit of components the power electronics occur. The energy required for rapid and reduction or maintenance of the control voltage is briefly once or several times transmitted periodically so that auxiliary voltage sources are not required.

Zur potentialfreien Übertragung von Steuersignalen sind eine Reihe von Verfahren bekannt, die in der einschlägigen Literatur beschrieben sind (z.B. Siemens Components 20 (1982) Heft 1, Seite 8 bis 13). Es handelt sich um optische, piezoelektrische oder induktive Verfahren.There are a number of lines for the potential-free transmission of control signals known from methods described in the relevant literature (e.g. Siemens Components 20 (1982) issue 1, pages 8 to 13). They are optical, piezoelectric or inductive processes.

Der Nachteil der bekannten Verfahren besteht darin, daß sie zu aufwendig oder nicht schnell genug sind oder/und Hilfsstromquellen benötigen. So begrenzen bekannte induktive (transformatorische) Koppler durch ihre Streuinduktivität entweder die Signaländerungsgeschwindigkeit, oder sie übertragen nur eine unzureichende Spannungszeitfläche, oder ihre Isolierfestigkeit ist nicht ausreichend. Außerdem ist ihr Einsatz auch aus Kostengründen oft nicht möglich.The disadvantage of the known methods is that they are too expensive or are not fast enough and / and require auxiliary power sources. So limit known inductive (transformer) couplers by their leakage inductance either the speed of signal change, or they only transmit an insufficient voltage-time area, or their insulation strength is insufficient. Besides, their use is too often not possible for cost reasons.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine preiswerte Lösung zur potentialfreien Übertragung von Steuersignalen zu bieten, ohne daß Abstriche in Hinblick auf die Übertragungseigenschaften gemacht werden müssen.The invention is based on the object of an inexpensive solution to offer potential-free transmission of control signals without compromising in Must be made with regard to the transmission properties.

Das ist möglich durch eine Anordnung entsprechend Anspruch 1.This is possible by an arrangement according to claim 1.

Da Koppler mit den durch die Erfindung gegebenen Eigenschaften an zahlreichen Stellen benötigt werden, bietet es sich an, sie als Bauelemente unter Einsatz der integrierten Schaltkreistechnik vollständig oder in Teilen in Serie zu fertigen, um auf diese Weise vielseitig verwendbare, schnelle Signalkoppler, wie sie bisher nicht zur Verfügung stehen, preiswert anbieten zu können.Da couplers with the properties given by the invention numerous places are required, it is advisable to use them as components Use of integrated circuit technology in full or in parts in series to produce in this way versatile, fast signal couplers, as they are not available so far, to be able to offer inexpensive.

Aufbau und Funktionsweise derartiger elektronischer Koppler werden nachfolgend anhand von Fig. 1 bis Fig. ii beschrieben. Die angeführten Schaltungsbeispiele sind beispielhaft zu bewerten. Sie schließen andere Ausführungen entsprechend den Patentansprüchen nicht aus.Structure and mode of operation of such electronic couplers are described below with reference to FIG. 1 to FIG. ii. The circuit examples given are to be assessed as examples. They conclude other designs according to the Patent claims.

In dem Beispiel nach Fig. 1 soll eine Steuerspannung U3 für einen Feldeffekttransistor FT schnell auf- und abgebaut werden. Dies geschieht über den Ringkernübertrager Ü mit Hilfe der Z-Diode ZD, die als Bauelement mit richtungsabhängiger Durchlaßspannung wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist. - Die Treiberstufe G weist an ihrem Ausgang die Spannung Ul auf, deren Zeitverlauf Fig. 2 zeigt. Eine sprunghafte Änderung der Spannung Ul führt zu einem Ladestromstoß durch Kondensator Cl, der vom Übertrager Ü übertragen wird und zu einer entsprechenden Spannungsänderung U3 am Kondensator C führt. Der Kondensator C kann in dem gewählten Beispiel auch allein aus der Kapazität der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors bestehen. Da der Übertrager Ü nur eine verhältnismäßig kleine Spannungszeitfläche übertragen muß, kann seine Streuinduktivität entsprechend gering sein, so daß die Änderungsgeschwindigkeit von Spannung U3 in erster Linie durch den Innenwiderstand der Treiberstufe G begrenzt wird.In the example according to FIG. 1, a control voltage U3 for a Field effect transistor FT can be set up and dismantled quickly. This is done via the Toroidal transformer Ü with the help of the Zener diode ZD, which as a component with direction-dependent Forward voltage is an integral part of the invention. - The driver stage G has the voltage U1 at its output, the time curve of which is shown in FIG. One Sudden change in voltage Ul leads to a charging current surge through the capacitor Cl, which is transmitted from the transformer Ü and to a corresponding voltage change U3 leads to capacitor C. In the example chosen, the capacitor C can also consist solely of the capacitance of the control electrode of the field effect transistor. Since the transformer Ü only transmit a relatively small voltage-time area must, its leakage inductance can be correspondingly low, so that the rate of change limited by voltage U3 primarily by the internal resistance of driver stage G. will.

Die Kapazität C der Steuerelektrode eines Hochspannungs-Leistungs-Feldeffekttransistors liegt z.B. unter Einbeziehung der wirksamen Rückwirkungskapazität-in der Grössenordnung von 5 nF. Wenn die Treiberstufe G einen Strom von 1 A zuläßt, wird daher zum Auf- und Abbau einer Steuerspannung von U3 = 10 V eine Zeit von etwa 50 ns benötigt -unter der Voraussetzung, daß das Übersetzungsverhältnis von Übertrager Ü den Wert 1 : 1 aufweist.The capacitance C of the control electrode of a high-voltage power field effect transistor is, for example, taking into account the effective feedback capacity-in the order of magnitude of 5 nF. If the driver stage G allows a current of 1 A, it is and reduction of a control voltage of U3 = 10 V requires a time of about 50 ns -below the prerequisite that the transformation ratio of transformer Ü has the value 1: 1 has.

Nach dem Auf- oder Entladen des Kondensators klingt die Magnetisierungsenergie des Übertragers im Widerstand R ab.After the capacitor has been charged or discharged, the magnetization energy sounds of the transformer in resistor R.

Wenn die Z-Spannung (Spannung in Sperrichtung) der Diode ZD richtig bemessen ist, bleibt die Ladung des aufgeladenen Kondensators C nach dem Aufladevorgang erhalten. Durch einen Impuls entgegengesetzter Polarität, wie er mit der fallenden Flanke der Signalspannung Ul gegeben ist, kann der Kondensator über die Z-Diode ebenso schnell entladen werden, wie er zuvor aufgeladen wurde. Hierzu muß nur die Höhe der Spannung der Höhe der Spannung U3 entsprechen (Fig. 2). In dieser Möglichkeit des kurzzeitigen, potentialfreien Auf- und Entladens von Steuerelektroden oder mit Steuerelektroden verbundenen Kondensatoren liegt die erfindungsgemäße Neuerung.If the Z-voltage (voltage in reverse direction) of the diode ZD is correct is dimensioned, the charge of the charged capacitor C remains after the charging process obtain. Through a Impulse of opposite polarity, like him is given with the falling edge of the signal voltage Ul, the capacitor discharged just as quickly via the Zener diode as it was previously charged. For this purpose, only the level of the voltage has to correspond to the level of the voltage U3 (Fig. 2). In this possibility of short-term, potential-free charging and discharging of Control electrodes or capacitors connected to control electrodes is the one according to the invention Innovation.

Z-Dioden sind oft nicht schnell genug. Fig. 3 zeigt, wie man eine Z-Diode mit zwei schnellen Dioden Dl, D2 kombinieren kann. Durch eine solche Maßnahme wird der Sperrverzug der Z-Diode bedeutungslos.Zener diodes are often not fast enough. Fig. 3 shows how to make a Zener diode can be combined with two fast diodes Dl, D2. By such a measure the blocking delay of the Zener diode becomes meaningless.

Fig. 4 zeigt den Querschnitt durch einen geeigneten Impulsübertrager. Wenige Windungen der Wickeldrähte 2 und 3 sind bifilar auf einen preiswerten Ferrit-Ringkern 1 aufgebracht. Dies führt zu einer ausreichend kleinen Streuinduktivität. Die Wickeldrähte 2, 3 sind mit einem ausreichenden Isolierüberzug versehen (4, 5). Das Muster eines solchen Übertragers mit 2 mal 6 Windungen auf einem Ferrit-Ringkern mit 10 mm Außendurchmesser weist eine Spannungsfestigkeit (Prüfspannung) von 10 kV auf. Versuche haben gezeigt, daß sich damit Signalkoppler verwirklichen lassen, deren Verzögerung kleiner ist als die eines normalen C-MOS-Gatters oder eines Leistungs-Feldeffekttransistors. Wegen der sehr kurzen Stromflußzeiten von unter 1 gs können dabei preiswerte und schnelle Kleinleistungsbauelemente (Dioden, Transistoren) auch noch bei hohen Signalfrequenzen Verwendung finden.Fig. 4 shows the cross section through a suitable pulse transmitter. A few turns of the winding wires 2 and 3 are bifilar on an inexpensive ferrite toroidal core 1 applied. This leads to a sufficiently small leakage inductance. The winding wires 2, 3 are provided with a sufficient insulating coating (4, 5). The pattern of a such a transformer with 2 times 6 turns on a ferrite toroidal core with an outer diameter of 10 mm has a dielectric strength (test voltage) of 10 kV. Tests have shown that signal couplers whose delay is smaller can thus be realized than that of a normal C-MOS gate or a power field effect transistor. Because of the very short current flow times of less than 1 gs, inexpensive and fast low-power components (diodes, transistors) even at high signal frequencies Find use.

Die auf dem Kondensator C gespeicherte Steuerspannung U3 (Fig. 1) hält sich naturgemäß nur eine begrenzte Zeit, da die Z-Diode ZD, der Transitor FT sowie andere Schaltungsteile Leckströme aufweisen. Sind nur jeweils kurze Impulse einer Richtung zu erwarten, wie das oft der Fall ist, so kann ein Widerstand R2 entsprechend Fig. 5 für eindeutige Spannungsverhältnisse sorgen. R2 dient hier jedoch nicht wie in bekannten ähnlichen Schaltungen zur Sicherstellung der Rückflanke des Steuersignals.The control voltage U3 stored on the capacitor C (Fig. 1) Of course, it only lasts for a limited time, since the Zener diode ZD, the transistor FT as well as other circuit parts have leakage currents. Are only short impulses in one direction, as is often the case, a resistor R2 according to FIG. 5 ensure clear tension conditions. However, R2 serves here not as in known similar circuits to ensure the trailing edge of the Control signal.

Bei der Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 1 muß zwischen Vor- und Rückflanke des Steuersignals eine gewisse Zeit vergehen, während der der Kondensator Cl umgeladen wird. Dadurch kann eine Mindestlänge der Steuerimpulse nicht unterschritten werden. - Für die Anordnung entsprechend Fig. 6 bestehen solche Einschränkungen nicht. Zum Ein- und Ausschalten des Steuersignals wird jeweils eine der beiden gegensinnigen Primärwicklungen des Übertragers Ü über die Transistoren Tl oder T2 kurzzeitig (z.B. 100 ns) an Spannung gelegt. Dies bewirkt die angegebene Schaltung aus je 2 NOR-Gattern bei der entsprechenden Flanke des Ejnanssignals. Wegen der kurzen Impulse können die Transitoren Tl, T2 unmittelbar mit den Kurzschluß-Ausgangsströmen der Gatter betrieben werden. Auch gibt es integrierte Schaltungen mit entsprechend leistungsfähigen Ausgangstransistoren, die Tl und T2 ersetzen können.In the circuit arrangement according to Fig. 1, between and trailing edge of the control signal elapse a certain time during which the capacitor Cl is reloaded. This means that the control pulses cannot fall below a minimum length will. There are such restrictions for the arrangement according to FIG. 6 not. To switch the control signal on and off, one of the two turns in opposite directions Primary windings of the transformer Ü via the transistors T1 or T2 briefly (e.g. 100 ns). This is caused by the specified circuit consisting of 2 NOR gates each at the corresponding edge of the input signal. Because of the short pulses you can the transistors T1, T2 directly to the short-circuit output currents of the gates operate. There are also integrated circuits with correspondingly powerful ones Output transistors that can replace T1 and T2.

Bei Signalen, die während längerer Zeit ihren Zustand nicht ändern oder bei einer Ausgangsbelastung der Koppeleinrichtung müssen Impulse gleicher Polarität periodisch wiederholt werden, bis mit Impulsen entgegengesetzter Polarität der schnelle Wechsel des Ausgangs-Steuersignals bewirkt wird. Eine dafür geeignete Schaltung zeigt Fig. 7 am Beispiel der Steuerung eines Bipolartransistors BT. Eine positive Spannung Ul oder U2 führt zu periodisch wiederholten, kurzen Stromimpulsen durch Transistor Tl oder T2. Anstelle der Z-Diode in den zuvor beschriebenen Schaltungen wird der Speicherkondensator C hier über die Reihenschaltung von vier Dioden entladen, deren Flußspannung eine positive Spannung U3 ermöglicht. Durch ein entsprechendes Verhältnis der Windungszahlen des Übertragers wird erreicht, daß zur Einleitung der Sperrphase des Transistors BT dessen Steuerspannung schnell umgepolt wird, so daß der Ausschaltvorgang beschleunigt vonstatten geht. Das Beispiel zeigt, daß die Ausgangspannung des Kopplers keinesfalls unipolar sein muß. Wichtig ist dabei jedoch in jedem Fall der Widerstand zur Übernahme des Magnetisierungsstromes des Übertragers.For signals that do not change their state for a long time or if there is an output load on the coupling device, pulses of the same polarity must be used be repeated periodically until the fast one with pulses of opposite polarity Change of the output control signal is effected. A suitable circuit for this 7 shows the example of the control of a bipolar transistor BT. A positive one Voltage Ul or U2 leads to periodically repeated, short current pulses Transistor T1 or T2. Instead of the Zener diode in the circuits described above the storage capacitor C is discharged here via the series connection of four diodes, whose forward voltage enables a positive voltage U3. With a corresponding The ratio of the number of turns of the transformer is achieved that for initiation the blocking phase of the transistor BT whose control voltage is quickly reversed, so that the switch-off process is accelerated. The example shows that the The output voltage of the coupler does not have to be unipolar under any circumstances. It is important, however in any case the resistance to take over the magnetizing current of the transformer.

Fig. 9 zeigt, wie man anstelle einer Z-Diode einen Transistor einsetzen kann, um beim Signalwechsel die Schnellentladung des Kondensators zu gewährleisten. Je nach Signalwechsel oder Signalzustand fließt der Aufladestrom Il oder der Entladestrom I2. Der Vorteil dieser Anordung bbsteht darin, daß von der speisenden Seite aus (Spannung Ul) weniger Impulsenergie geliefert werden muß. Nachteilig ist der zusätzlich erforderliche Wicklungsanschluß.Fig. 9 shows how to use a transistor instead of a Zener diode to ensure rapid discharge of the capacitor when the signal changes. Depending on the signal change or signal state, the charging current II or the discharging current flows I2. The advantage of this arrangement is that from the feeding side (Voltage Ul) less pulse energy has to be delivered. That is also disadvantageous required winding connection.

Fig. 10 zeigt eine Anordnung für bipolares Ausgangssignal.Fig. 10 shows an arrangement for a bipolar output signal.

Die Ausgangsspannung U3 ist entweder positiv oder negativ (Fig. 11). In dem gezeigtenBeispiel muß der Scheitelwert der übertragenen Impulsspannung etwa doppelt so groß sein wie die Amplitude der Ausgangsspannung U3, während die Durchlaßspannung der Diodenanordnung der Ausgangs spannung entsprechen muß. U.U. kann man auch zwei Dioden einsparen und mit zwei gegensinnig in Reihe geschalteten Z-Dioden auskommen.The output voltage U3 is either positive or negative (Fig. 11). In the example shown, the peak value of the transmitted pulse voltage must be approximately be twice as large as the amplitude of the output voltage U3, while the forward voltage the diode arrangement must correspond to the output voltage. Under certain circumstances you can also do two Save diodes and get by with two Z-diodes connected in series in opposite directions.

Durch Variation der Windungszahlen des Impulsübertragers läßt sich zwischen Ein- und Ausgangspegel der Koppeleinrichtung ein beliebiges Verhältnis erreichen, so daß die Koppeleinrichtung auch als Pegelumsetzer verwendet werden kann mit dem Vorteil, daß sich Ausgangspegel erzielen lassen, die größer sind als die Betriebsspannung oder daß sich Ausgangströme erzielen lassen, die größer sind als die Eingangsströme.By varying the number of turns of the pulse transformer any ratio between the input and output level of the coupling device achieve so that the coupling device can also be used as a level converter can with the advantage that output levels can be achieved which are greater than the operating voltage or that output currents can be achieved which are greater than the input currents.

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Claims

Claims (ff1. Fast electronic coupling device for potential-free transmission of digital electrical control signals, characterized in that that the state changes and, in the case of signals that last longer, also the states of the signals to be transmitted in the form of short pulses with a simple pulse transformer are transmitted inductively and that these pulses a storage capacitor the signal state correspondingly fast charging and discharging or reloading, with suitable electronic Components with non-linear current-voltage characteristics and amplifying or non-reinforcing properties, firstly, charging and discharging or recharging of the capacitor and, secondly, the retention of the charge after the transferred charge has subsided Ensure impulse.

2. Electronic coupling device according to claim 1, characterized characterized in that a pulse transformer with a few turns isolated for coupling Wire, low leakage inductance, low coupling capacitance and sufficient Insulation strength is used.

3. Electronic coupling device according to claim 1, characterized characterized in that the non-linear components components with current direction-dependent Forward voltage are e.g. Zener diodes or Zener diodes in connection with other diodes.

4. Electronic coupling device according to claim 1, characterized characterized in that the non-linear components components with a higher forward voltage for both current directions and that the transmitted pulse voltage is higher in each case is than this forward voltage to produce a bipolar output signal in this way (output voltage either positive or negative).

5. Electronic coupling device according to claim 1, characterized characterized in that the non-linear components are a transistor and a diode which, with a suitable connection to the pulse transformer, allow rapid build-up and discharge the capacitor.

6. Electronic coupling device according to claim 1, characterized characterized in that the pulse transformer used with any number of turns can be provided and thereby the coupling device is also suitable for level conversion is.

7. Electronic coupling device according to claim 1, characterized characterized in that for signals of longer duration and / or a corresponding output current the capacitor charge is periodically renewed according to the signal state.

8. Electronic coupling device according to claim 1, characterized characterized in that the arrangement as a whole is in the form of an integrated circuit is carried out or that essential parts of it are carried out using integrated technology are.