-
-
Schaltungsanordnung zum Anpassen von Eingangs signalen
-
an einen logischen Signalpegel Die Erfindung bezieht sich auf eine
Schaltungsanordnung zum Anpassen von Eingangssignalen an einen logischen (5-Volt)
Signalpegel zur Verwendung in logischen oder Prozeßdaten-Schaltungen.
-
Die Erfindung gehört zum Bereich Elektronik, und zwar zur Klasse G05B
11/16 und G05B 7/02 der Internationalen Patentklassifikation.
-
Da in Industrieumgebungen Störungen auftreten, soll eine derartige
Eingangsschaltung unempfindlich gegen die Störungen und eventuelle höhere Spannungen
an den Eingangsklemmen sein. Es ist auch wünschenswert, daß eine Zustandsanzeige
für das Eingangssignal eingebaut ist.
-
Bei dem bestehenden Stand der Technik kann man die bekannten Lösungen
in drei Gruppen aufgliedern, deren Merkmale sind:
1) Galvanisch
getrennte Eingänge 2) Keine galvanisch getrennten Eingänge 3) Spanmngsform und -größe:
- Wechselspannung - Gleichspannung - Spannungswerte: 12, 24, 48, 110 und 220 V.
-
Man gelangt schnell zum Schluß, daß es schwierig ist, eine Universalschaltung
zu bauen, die allen Anforderungen genügt, mit minimalen Änderungen von Schaltelementenwerten.
-
4) Die Möglichkeit, Störungseinflüsse auf die logischen oder Prozeßdaten-Schaltungen
zu verhindern. Es werden Lösungswege benutzt, basierend auf: a) Hystereseeigenschaften
des Eingangs b) störungsfilternder Zeitkonstante am Eingang c) Kombination von a
und b d) Strombelastung des signalerzeugenden Generators, was ein "Filtern" der
aus dem Netz stammenden Störungen zur Folge hat.
-
Die bekannten Lösungen mit oben angeführten Lösungswegen haben einige
Vorteile und Nachteile, die beste darunter ist diejenige, die die Firma Siemens
in ihr freiprogrammierbares System S5-030 eingebaut hat. Der Schaltplan ist in Figur
1 dargestellt.
-
Das Eingangssignal wird am Spannungsteiler R9 -R10 so geteilt, daß
am Eingang des ersten Verstärkers OJ1 eine eingangsspannungsabhängige Spannung erhalten
wird (s. Fig.
-
1). Diese Spannung wird auf den Ausgang des Verstärkers übertragen
und stellt die logische Eins ("1") dar, mit einem Wert von +5 V. Das RC-Filter filtert
die beim Um-
schalten erzeugten Störungen (Spannungssprung) und
hält gleichzeitig den Ausgang des Verstärkers OJ1 vom Einschwingen ab.
-
Der Eingang hat einige wichtige Nachteile. Die Toleranz der Eingangsspannung
beträgt 20 - 30 V. Falls das Eingangssignal außerhalb dieser Toleranz liegt, sollte
die Eingangsstufe nicht zerstört werden. Bei dieser Schaltung kann dies jedoch passieren,
wenn das Eingangs signal etwa 8 V beträgt, denn dann ist die Spannung am Eingang
des Verstärkers OJ1 ca. 2,5 V, wodurch der erste Verstärker im linearen Bereich
arbeitet und er wegen der großen Verlustleistung zerstört werden kann. Steigt aber
die Eingangsspannung über 58 V, so ist die Spannung am Eingang des Verstärkers OJ1
größer als 18 V, was genügt, um ihn zu zerstören. Die Spannung über 58 V am Eingang
der Eingangsschaltung liegt außerhalb der Toleranz, kann aber unter Industrieverhältnissen
sehr schnell auftreten, z. B. bei der Abschaltung einer induktiven Last. Außer diesem
wesentlichen Nachteil ist auch die Filterschaltung so ausgeführt, daß die Verzögerungszeit
tz (s. Fig. 2) sehr stark variiert, abhängig son der Nennumschaltspannung des Verstärkers
OJ2, die von Fall zu Fall (bei Integrierschaltungen) sehr verschieden ist. Diese
Spannung kann'von 33 bis 67 % der Speisespannung betragen, wodurch die Verzögerung
von 1,58 bis 4,39 ms variiert. Eine kürzere Zeit bedeutet zu schlechte Filterung
des Eingangs- -signals, die längste Zeit aber eine unerwünschte Verlangsamung des
Systems.
-
Aus dem obigen ist ersichtlich, daß die Eingangsstufen in Industriesteuerungen
sehr oft unentbehrlich sind. Die bisherigen Lösungen lösen einige an sie gestellte
Forderungen, andere aber nicht; anders ausgedrückt - es gibt keine Lösung, die mehrere
erforderliche Eigenschaften einschließen würde.
-
Die Aufgabe und der Zweck der Erfindung ist es, eine Schaltung zu
schaffen, die möglichst universell ist für alle Cingangsspannungen, Gleich- oder
Wechselspannungen mit unterschiedlich großen Amplituden, mit minimalen Änderungen
der Elemente und mit der Möglichkeit, den augenblicklichen Stand des Eingangs zu
signalisieren.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch angegebenen
Merkmalen gelöst, insbesondere mit Hilfe eines Vergleichrs,einer Diode am Eingang,
einer LED-Diode zur Signalisation, eines Spannungsteilers und einer Referenzstufe,
die für alle Größen der Eingangsspannung gleich ist.
-
Die Erfindung ist im folgenden an einem Ausführungsbeispiel anhand
der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild
einer bekannten Schaltungsanordnung, Fig. 2 ein zugehöriges Zeitdiagramm, Fig. 3
ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung und Fig. 4 ein zugehöriges Zeitdiagramm.
-
Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 sind zwischen eine Eingangsklemme
VH und einen Punkt A einer integrierten Schaltung IC eine Diode D1 und ein Widerstand
R1 seriengeschaltet. Zwischen deren gemeinsamen Punkt und Masse ist ein Widerstand
R2 angeschlossen. Mit dem Punkt A der Schaltung IC ist eine Diode D2 gekoppelt,
die mit ihrem anderen Ende an eine Spannung +V angeschlossen ist. Zwischen Punkt
A und C der Schaltung IC
ist ein Kondensator C1 geschaltet. Ein
Punkt E der Schaltung IC ist an +V angeschlossen. Der gemeinsame Punkt eines Widerstands
R7, eines Widerstands R6 und des Punktes C der Schaltung IC ist mit einer Klemme
IZ verbunden. Zwischen Masse und einem Punkt B ist ein Kondensator C2 geschaltet.
Eine Parallelschaltung von Widerständen R3 und R4 ist zwischen Masse und einem Punkt
B der Schaltung IC angeschlossen. Ein Widerstand R5 ist zwischen +V und den gemeinsamem
Punkt der Widerstände R3 und R4 und des Punktes B geschaltet. Der Widerstand R7
ist zwischen dem Punkt C und +V angeschlossen. Der Punkt D der Schaltung IC ist
mit Masse verbunden. Die Reihenschaltung des Widerstandes- R6 und einer LED-Diode
LD ist zwischen dem Punkt C und Masse angekoppelt.
-
Die erfindungsgemäße Schaltung ist für Eingangsgleichspannungen von
5 V, 12 V, 24 V sowie für die Wechselspannung im Bereich zwischen 20 V und 50 V
verwendbar.
-
Bei der Anpassung an eine unter den angegebenen Spannungen liegende
Spannung wird nur der Wert des Widerstands R4 geändert, siehe Fig. 3.
-
Bei der Beschreibung der Schaltungsanordnung und ihrer Wirkungsweise
wird als Beispiel ein solcher Wert des Widerstands R4 gewählt, daß die Nenneingangsspannung
24 V beträgt, mit einem Toleranzbereich von 20 bis 30 V.
-
Am negativen Eingang, dem Punkt B in der Schaltung IC, liegt die zum
Vergleich dienende Referenzspannung UR, die in diesem Beispiel eine Hälfte der Speisespannung
(+V) beträgt, wobei +V = UVH. Die Schaltung IC übt nämlich die Funktion eines Vergleichers
aus mit den logischen Ausgangswerten "0" und "1". Wenn die Spannung am Punkt A am
positiven Eingang der Schaltung IC gegen Masse (usa) der Referenzspannung UR gleicht,
beträgt der Signalwert am Ausgang der Schaltung IC am Punkt C +5 V, was die
logische
Eins ("1') darstellt, die um die Zeit t = R1:C1 ln2 (siehe Fig. 4) in Beziehung
zum Eingangssignal verzögert wird. Die Verzögerung wird immer gleich sein, wenn
UR = UVH/2. Diese Verzögerung stellt auch ein Filter für etwaige Störungen an der
Klemme VH dar. Wenn am Punkt A ein Signal erscheint, das kleiner als das Referenzsignal
ist, hat man am Ausgangspunkt C die logische Null (20").
-
Die Belastung des Eingangs der Aktivschaltung IC durch den Widerstand
R1 bzw. durch einen Strom von etwa 5 mA ist eine weitere Maßnahme zum Verhindern
von Störungen; gleichzeitig wird der Eingang mit Masse verbunden, falls an der Eingangsklemme
kein Signal vorhanden ist. Die LED-Diode LD zeigt den Stand des Eingangssignals
UvH an. Die Diode D2 schützt den Eingang der Schaltung IC vor höheren Spannungen,
die an der Eingangsklemme VH der Eingangsschaltung auftreten könnten.
-
- Leerseite -