DE3412470A1

DE3412470A1 - Optisch isolierter konkurrenzbus

Info

Publication number: DE3412470A1
Application number: DE19843412470
Authority: DE
Inventors: Robert John Ballston Lake N.Y. Dunki-Jacobs
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1983-04-04
Filing date: 1984-04-03
Publication date: 1984-10-04
Also published as: GB8408585D0; FR2543769A1; JPS59224946A; IT8420364A0; US4596048A; GB2137854A; IT1175463B

Description

Optisch isolierter Konkurrenzbus

Die Erfindung bezieht sich auf einen optisch isolierten bzw. getrennten logischen Konkurrenzbus und insbesondere auf ein Conununikationssystem, bei dem die elektrische Erde bzw. Masse sowohl von einem Sender als auch einem Empfänger von der elektrischen Erde bzw. Masse von einem dazwischen angeordneten Communikationsbus elektrisch isoliert bzw. getrennt ist.

Bei einem Daten-Communikationssystem kann ein logischer Konkurrenzbus im allgemeinen zwei Zustände führen, d. h. eine logische 1 und eine logische O/ die üblicherweise durch zwei unterschiedliche Spannungsbereiche charakterisiert sind. Beispielsweise wird in einer Transistor-Transistor-Logikschaltung oder TTL-Logik eine logische 1 üblicherweise durch eine Spannung in dem Bereich von 2,0 bis 5,0 Volt und eine logische 0 durch eine Spannung im Bereich von 0,0 bis 0,8 Volt garantiert. Wenn weiterhin mehrere Sender mit dem Bus verbunden sind, wird garantiert, daß der eine Status in Gegenwart des anderen Status vorherrscht, wobei gleichzeitig wenigstens ein Sender eine logische 1 und wenigstens ein Sender eine logische 0 an den Bus anlegt. Der garantierte Status wird der höhere Status genannt und der andere Status wird der niedere Status genannt. Da es relativ einfach ist, einen Stromshunt in dem Bus herzustellen, um den höheren Status hervorzurufen, fließt im allgemeinen für den höheren Status kein Strom in dem Bus zwischen den Sendern und Empfängern, die mit dem Bus verbunden sind, und für den niederen Status fließt Strom in dem Bus zwischen den Sendern und Empfängern, die mit dem Bus verbunden sind.

In verteilten Communikationssystemen bestehen häufig große Strecken zwischen verarbeitenden Komponenten des Systems, und somit muß sich das Medium einschließlich des Communikationsbus,

beispielsweise ein Koaxialkabel, gedrillte Drahtpaare usw., über diese Abstände erstrecken, um die Komponenten miteinander zu verbinden, üblicherweise weist jede Station oder Gruppe von räumlich nahen (in bezug auf die Gesamtlänge des Bus) Komponenten einen Sender und einen Empfänger auf, die Daten an den Bus liefern bzw. von dem Bus empfangen, der mit dem Communikationsbus verbunden ist. Weiterhin sind Leistungseinspeisungen, die zur Lieferung von Betriebsspannungen für die Komponenten an jeder Station vorgesehen sein müssen, im allgemeinen mit einer elektrischen Erde bzw. Masse in der Nähe jeder Station verbunden. In abträglichen Umgebungen, wie beispielsweise in der Nähe von elektrischen Hochleistungsmaschinen, die elektromagnetische Störungen hervorrufen, können große flüchtige Spannungen, üblicherweise mehrere 1000 Volt (beispielsweise bis zu etwa 3 kV), auf den Bus übertragen werden und dadurch teuere Niederspannungssignal- oder Datenerzeugungsschaltungen beschädigen, die mit dem Bus verbunden sind. Weiterhin kann eine Potentialdifferenz zwischen einer örtlichen und einer entfernten elektrischen Erde bzw. Masse bestehen, wodurch ein Erdstrom durch den Communikationsbus zwischen der örtlichen und entfernten elektrischen Erde bzw. Masse fließt. Erd- bzw. Masseströme bewirken Spannungsverschiebungen am Empfänger, die die erwartete Spannung an der Empfängerlast invertieren können. Weiterhin können große Spannungsverschiebungen am Empfängereingang durch die Eingangstransformatoren der Leistungseinspeisungen abgetastet werden und diese überbeanspruchen, wodurch dort ein dielektrischer Durchschlag hervorgerufen wird. Zusätzlich kann die Potentialdifferenz zwischen den örtlichen und entfernten Erdverbindungen sich zufällig unabhängig von der Zeit ändern, wodurch eine Kompensation schwierig wird. Versuche, alle Stationskomponenten in dem verteilten System direkt mit einer gemeinsamen elektrischen Erde zu verbinden, würden eine teure Verdrahtung oder Verkabelung zusammen mit zusätzlichen Kosten dafür verursachen, und in einigen Fällen, beispielsweise einer Fabrikautomation, kann dies nicht ratsam sein, da mehrere Erdschleifen-Strompfade gebildet werden würden.

Es ist wünschenswert ein verteiltes Datenconununikationssystem zu schaffen, bei dem der Datencommunikationsbus von damit verbundenen Sendern und Empfängern elektrisch getrennt bzw. isoliert ist, so daß transiente Spannungen auf dem Bus und Erdströme von dem Bus die Schaltung der Sender und Empfänger nicht erreicht.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verteiltes Communikationssystem zu schaffen, bei dem ein Communikationsbus auf damit verbundene Sender und Empfänger anspricht und elektrisch von diesen isoliert ist.

Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Isolation zwischen einem Communikationsbus, auf dem transiente Spannungen von vielen tausend Volt, beispielsweise mehr als etwa3kV, bestehen können, und damit verbundenen Sendern und Empfängern zu schaffen. Dabei sollen die Wirkungen von Erdströmen auf die Communikationsschaltung vermindert werden.

Erfindungsgemäß enthält ein Communikationssystem einen logischen Konkurrenzbus mit einer elektrischen Schaltungserde, wobei der Bus auf einen Sender anspricht, der mit dem Bus verbunden sein kann, und wobei der Sender mit einer elektrischen örtlichen Verknüpfungsschaltungserde verbunden ist, und Isoliermittel, die mit dem Bus verbunden sind, um die Schaltungserde von der örtlichen Verknüpfungsschaltungserde zu trennen bzw. zu isolieren. Die Isoliermittel können eine Lichtquelle und einen lichtempfindlichen Empfänger aufweisen, wobei der lichtempfindliche Empfänger optisch mit der Lichtquelle verbunden und elektrisch von dieser getrennt ist.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist ein schematisches Schaltbild und stellt einen Communikationsbus dar, der auf einen damit verbundenen Sender

und Empfänger anspricht und elektrisch von diesem getrennt ist.

Figur 2 ist ein schematisches Schaltbild und zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Sende-Isolationsschaltung.

Figur 3 ist ein schematisches Schaltbild und zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Empfänger-Isolationsschaltung.

Figur 4 ist ein schematisches Schaltbild von einem verteilten

Communikationssystem und zeigt die Verbindung von mehreren Sende- und Empfangs-Isolationsschaltungen mit dem Commu-■ nikationsbus.

Figuren 5A und 5B sind schematische Schaltbilder und zeigen den

Stromfluß in einem Communikationsbus von einem verteilten Communikationssystem während einer Datenübertragung von einem höheren bzw. niederen Status.

In Figur 1 ist ein logischer Konkurrenzbus 100 gezeigt, der mit einem einzelnen Sender 200 und einem einzelnen Empfänger 300 über eine Sende-Isolationsschaltung 15 bzw. Empfangs-Isolationsschaltung 25 verbunden ist. Der Konkurrenzbus 100 kann irgendein leitendes Medium aufweisen, beispielsweise ein verdrilltes Drahtpaar oder ein Koaxialkabel, das eine geschlossene Bahn für einen Stromfluß bilden kann.

Die Sende-Isolationsschaltung 15 weist eine Lichtquelle 10, beispielsweise eine lichtemittierende Diode (LED), Type TIES471 von Texas Instruments, oder ähnliches, einen lichtempfindlichen Empfänger oder Sensor 11, wie beispielsweise eine Photodiode Type TIED80 von Texas Instruments, oder ähnliches, der mit dem LED 10 optisch verbunden ist, und einen Transistor 12 auf, beispielsweise eine Type 2N39O4 von Texas Instruments oder ähnliches, wobei die Basis des Transistors 12 mit der Anode der Photodiode 11 verbunden ist. Die Anode der LED 10 ist mit dem Ausgang des Senders 200 verbunden, wo das Sende-Datensignal verfügbar ist. Die

Kathode der LED 10 ist mit einer örtlichen Erde bzw. Masse der Verknüpfungsschaltung verbunden, üblicherweise sind nicht-gezeigte Leistungseinspeisungen und nicht-gezeigte Logikschaltungen für den Sender 200 ebenfalls mit der örtlichen Masse bzw. Erde verbunden. Alternativ kann die Transistor-Isolationsschaltung 15 einen optischen Isolator Type 6N136 von Hewlett-Packard-Company oder ähnliches aufweisen, wobei die Lichtquelle 10, der lichtempfindliche Sender 11 und der Transistor 12 in einer einzigen integrierten Einheit enthalten sind, deren Anschlüsse 13, 14, 16, 17 und 18 für entsprechende elektrische Anschlüsse sorgen. Der hier verwendete lichtempfindliche Empfänger ist eine Vorrichtung, die ihre elektrischen Eigenschaften ändert oder die Elektrizität erzeugt bei einfallendem Licht.

Die Empfänger-Isolationsschaltung 25 weist eine Lichtquelle 20, wie beispielsweise eine lichtemittierende Diode (LED) Type TIES471 von Texas Instruments oder ähnliches, eine lichtempfindlichen Empfänger oder Sensor 21, wie beispielsweise eine Photodiode TIED801 von Texas Instruments oder ähnliches, der optisch mit der LED 20 verbunden ist, und Transistoren 22 und 23 auf, wie beispielsweise der Typ 2N39O4 von Texas Instruments oder ähnliches, wobei die Basis des Transistors 22 mit der Anode der Photodiode 21 und der Emitter des Transistors 22 mit der Basis des Transistors 23 verbunden ist. Die Kathode der Photodiode 21 und der Kollektor des Transistors 22 sind mit einer Betriebsspannung V verbunden. Alternativ kann die

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Empfangs-Isolationsschaltung 25 einen optischen Isolator Type 6N139 von Hewlett-Packard-Company oder ähnliches aufweisen, wobei die Lichtquelle 20, der lichtempfindliche Empfänger 21 und die Transistoren 22 und 23 in einer einzigen integrierten Einheit enthalten sind, deren Anschlüsse 24, 26, 27, 28 und für geeignete elektrische Anschlüsse sorgen. Der offene Kollektor des Transistors 23 ist mit einer Betriebsspannung +V über einen Pull-up-Widerstand R verbunden, um sicherzustellen, daß das Empfangsdatensignal am Kollektor des Transistors 23, das das Ausgangssignal der Empfangs-Isolationsschaltung 25 bildet und dem Eingang des Empfängers 300 zugeführt wird, Werte

von etwa +V Volt oder O Volt erreicht, was von dem logischen Status des Signals abhängt, wobei jede Spannung einen unterschiedlichen logischen Status darstellt. Der Emitter des Transistors 23 ist mit einer Erde bzw. Masse einer entfernten Logikschaltung verbunden, wobei diese Erde elektrisch von der örtlichen Erde bzw. Masse getrennt bzw. isoliert ist. Weiterhin sind üblicherweise nicht-gezeigte Leistungseinspeisungen und nicht-gezeigte Logikschaltungen für den Empfänger 300 mit der Erde bzw. Masse der entfernten Logikschaltung verbunden.

Der Communikationsbus 100 weist einen ersten Zweig 101, der mit der Kathode des lichtempfindlichen Empfängers 11 und der Anode der LED 20 über einen strombegrenzten Widerstand R_x verbunden

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ist, und einen zweiten Zweig 102 auf, der mit dem Emitter eines Transistors 12, der Kathode der LED 20 und einer Communikationsschaltungs€:rde verbunden ist, die elektrisch von sowohl der örtlichen als auch der entfernten Erde bzw. Masse getrennt ist. Eine Schalteinrichtung 33, die einen Schalttransistor Type 2N29O7 von Texas Instruments oder ähnliches aufweisen kann, dessen Emitter und Kollektor mit den ersten bzw. zweiten Zweigen des Bus 100 verbunden ist, wirkt als ein Stromshunt zwischen den Zweigen, wenn sie durchgeschaltet ist. Vorspannwiderstände R^₁ und Rd₂' ^w°t>ei Rg₂ üblicherweise viel größer ist als Rg₁/ sind zwischen die Basis und den Emitter bzw. Kollektor des Transistors 33 geschaltet. Die Basis des Transistors 33 ist mit dem Kollektor des Transistors 12 verbunden. Die Communikationsschaltungsspannung +V ist mit dem ersten Zweig

coinnvu η

101 des Bus 100 über einen Strombegrenzungswiderstand R ver-

bunden. Der Widerstand R begrenzt den Strom durch den Tran-

sistor 33, wenn dieser durchgeschaltet ist.

Im Betrieb kann das Sendedatensignal vom Sender 200 üblicherweise einen von zwei Spannungspegeln annehmen/ wobei jeder Spannungspegel innerhalb eines von zwei Spannungsbereichen bzw. Spannungsbändern, wie es vorstehend beschrieben wurde, während jedes von mehreren vorbestimmten Zeitintervallen liegt. Dabei

gibt jeder Spannungsbereich einen unterschiedlichen logischen Status bzw. Zustand an. Für die folgende Erläuterung der Datensendung vom Sender 200 zum Empfänger 300 sei angenommen, daß eine logische 1 und 0 durch eine positive Spannung bzw. eine Nullspannung des Sendedatensignals dargestellt werden.

Beim Senden einer logischen 1 bewirkt die positive Spannung des Sendedatensignals vom Sender 200 einen Stromfluß durch die LED 10, wodurch diese Licht emittiert. Wenigstens ein Teil des von der LED 10 emittierten Lichts wird einem lichtempfindlichen Empfänger 11 zugeführt, wodurch darin Elektronenlochpaare erzeugt werden, so daß ein Strom in die Basis des Transistors 12 fließen kann. Ein Stromfluß in die Basis des Transistors 12 schaltet den Transistor 12 durch, wodurch der Spannungspegel am Kollektor des Transistors 12 und der Basis des Transistors 33 auf das Erd- bzw. Massepotential der Communikationsschaltung plus dem relativ kleinen Potentialabfall über der Kollektor/Emitterstrecke des Transistors 12 abgesenkt wird. Die dabei entstehende niedrige Basisspannung des Transistors 33 schaltet diesen durch, wodurch der erste Zweig 101 des Bus 100 auf das Erd- bzw. Massepotential der Communikationsschaltung plus den relativ kleinen Potentialabfall vom Emitter zum Kollektor des Transistors 33 gelegt wird. Wenn an den Transistor 33 eine relativ kleine Spannung angelegt ist, emittiert die LED 20 kein Licht, so daß der lichtempfindliche Empfänger 21 in Sperrichtung vorgespannt bleibt und die Transistoren 22 und 23 gesperrt bleiben. Die Betriebsspannung +V abzüglich des relativ kleinen Spannungsabfalls über R wird an den Empfänger 300 als das Empfangsdatensignal angelegt und ist ein Maß für eine logische

Beim Senden einer logischen 0 verhindert die Null-Spannung des Sendedatensignals vom Sender 200, daß die LED 10 Licht emittiert, und der lichtempfindliche Empfänger 11 bleibt nicht-leitend, wodurch der Transistor 12 und dadurch der Transistor 13 gesperrt sind. Der Anode der LED 20 wird Strom durch die Communikationssystemspannung +V über die strombegrenzenden Widerstände R

commun s

und R_ zugeführt, und dieser Strom bewirkt, daß die LED 20

Licht emittiert. Wenigstens ein Teil des von der LED 20 emittierten Lichtes wird dem lichtempfindlichen Empfänger 21 zugeführt, wodurch darin Elektronenlochpaare erzeugt werden, wodurch Strom in die Basis des Transistors 22 fließen kann, so daß dieser durchgeschaltet wird. Wenn der Transistor 22 durchgeschaltet ist, wird der Basis des Transistors 23 Strom zugeführt, wodurch dieser durchgeschaltet ist. Wenn der Transistor 23 leitend ist, ist die Spannung am Kollektor des Transistors 23, die dem Empfänger 30 als das Empfangsdatensignal zugeführt wird, auf der Erd- bzw. Massespannung der entfernten Logikschaltung plus dem kleinen Spannungsabfall vom Kollektor zum Emitter des Transistors 23. Dies zeigt eine logische 0 an. Da die LED 20 eine stromempfindliche Vorrichtung ist, d. h. Licht emittiert, wenn der hindurchfließende Strom eine vorbestimmte Grenze unabhängig von der anliegenden Spannung überschreitet, unterstützt die Strommodus-Datensignalisierung, die für den Communikationsbus 100 (im Gegensatz zu einer Spannungsmodus-Datensignalisierung) verwendet wird, weiterhin die Immunisierung des Systems gegen ErdspannungsverSchiebungen. Die Transistoren 22 und 23 bilden ein Darlington-Paar, das üblicherweise eine größere Stromverstärkung liefert als ein einzelner Transistor. Diese zusätzliche Stromverstärkung ist notwendig, da der durch die LED 20 vom Bus 100 gezogene Strom, damit die LED 20 Licht emittiert, im allgemeinen minimiert ist, um zu gestatten, daß eine maximale Anzahl von Isolatoren 25 mit dem Bus 100 verbunden wird. Wenn der Strom durch die LED minimiert ist, ist der durch den lichtempfindlichen Empfänger verfügbare Strom sehr klein, beispielsweise ist er üblicherweise kleiner als etwa 100 Mikroampere. Die Darlington-Transistorschaltung ist für die Sendeisolatorschaltung 15 im allgemeinen nicht erforderlich, da üblicherweise nur ein einzelner Sender 200 mit der Lichtquelle 10 verbunden ist und die Ausgangsstufe (nicht gezeigt) des Senders 200 genügend Strom an die Lichtquelle 10 liefern kann, so daß der Strom durch den lichtempfindlichen Empfänger 11 wesentlich größer ist als der Strom durch den lichtempfindlichen Empfänger 21.

Die örtliche Logikmasse ist elektrisch von der Communikationsschaltungsmasse durch die dielektrische Festigkeit des Spannungspfades von der Schaltungsmasse über den Emitter-Basisübergang des Transistors 12 plus der dielektrischen Festigkeit des Pfades von dem lichtempfindlichen Empfänger 11 zur LED 10 getrennt bzw. isoliert, üblicherweise hat der letztere Teil des Pfades eine viel höhere dielektrische Festigkeit als der Abschnitt durch den Transistor 12 und bestimmt somit die Grenze der verfügbaren Gesamtisolation zwischen der örtlichen Logikmasse und der Communikationsschaltungsmasse. Für den optischen Isolator 15 der Type 6N136 von Hewlett-Packard spezifiziert der Hersteller, daß ein maximales Potential von 3 kV zwischen der LED 10 und dem lichtempfindlichen Empfänger 11 angelegt werden kann.

In ähnlicher Weise ist die entfernte Logikmasse elektrisch von der Communikationsschaltungsmasse durch die dielektrische Festigkeit des Spannungspfades von der Schaltungsmasse getrennt bzw. isoliert, wobei sich die dielektrische Festigkeit des Pfades LED 20 zum lichtempfindlichen Empfänger 21 mit der dielektrischen Festigkeit der Reihenschaltung durch die Basis-Emitterübergänge der Transistoren 22 und 23 vereinigt, üblicherweise hat der erste Pfad eine viel höhere dielektrische Festigkeit als der Pfad durch die Transistoren 22 und 23 und bestimmt somit die Grenze für die verfügbare Gesamtisolation zwischen der Communikationsschaltungsmasse und der entfernten Logikmasse. Für einen optischen Isolator 25 der Type 6N139 von Hewlett-Packard spezifiziert der Hersteller, daß maximal 3 kV zwischen der Kathode der LED 20 und der Anode des lichtempfindlichen Empfängers 21 angelegt werden können.

Die maximale Nennspannung von den optischen Isolatoren sowohl der Type 6N136 als auch der Type 6N139 wird durch die räumliche Strecke oder den Abstand zwischen den LED's 10 und 20 und den lichtempfindlichen Empfängern 11 bzw. 21 begrenzt. Wenn die räumliche Strecke zwischen einer Lichtquelle und dem Lichtfühler anwächst, wird im allgemeinen die dielektrische Festigkeit

dazwischen vergrößert. Jedoch wird die maximale betriebliche Trennung zwischen der Lichtquelle und dem Lichtfühler eingeschränkt durch die Intensität der Lichtquelle, der Empfindlichkeit des Lichtfühlers und dem Bruchteil des von der Quelle erzeugten gesamten Lichtes, der dem Fühler zugeführt wird.

In Figur 2 ist ein schematisches Bild von einem weiteren Ausführungsbeispiel der Sendeisolatxonsschaltung gezeigt. Diese Schaltung enthält eine Lichtquelle 40, wie beispielsweise eine lichtemittierende Diode (LED) Type TXES475 der Firma Texas Instruments oder ähnliches, einen lichtempfindlichen Empfänger oder Sensor 41, wie beispielsweise eine Photodiode Type TXED453 von Texas Instruments oder ähnliches, einen Verstärker 42, dessen Eingang mit einer Quelle der Betriebssystemspannung ^+v _commun verbunden ist und dessen andere Eingänge mit der Anode und Kathode der Photodiode 41 verbunden sind, um den Strom durch die Photodiode 41 zu verstärken, ferner einen Spannungsreferenzoder Spannungsverschiebungstransistor 43, dessen Kollektor offen ist und dessen Basis mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist zur Lieferung eines Signale am Kollektor des Transistors 43, das das Sendedatensignal anzeigt, das zur Anode der LED 40 geliefert wird,und eine optische Kopplungseinrichtung 45 zum optischen Koppeln der LED 40 und des lichtempfindlichen Empfängers 41. Der Spannungsreferenztransistor 43 gestattet, daß dessen Kollektor mit einer Betriebsspannungsquelle (nicht gezeigt) über einen pull-up-Widerstand (nicht gezeigt) verbunden wird, so daß die am Kollektor des Transistors 43 verfügbaren Spannungspegel die ersten und zweiten logischen Zustände anzeigen, wenn der Transistor 43 durchgeschaltet bzw. gesperrt ist. Der Transistor 43 kann überflüssig sein, wenn die Spannung des am Ausgang des Verstärkers 42 verfügbaren Signals mit den Empfängern kompatibel ist, die mit dem Bus verbunden sind. Die optische Kopplungseinrichtung 45 kann einen einzelnen Strang oder mehrere Stränge oder ein Bündel von Faseroptikmaterial aufweisen, das einen kleinen Leistungsverlust aufweist bei wenigstens einer Frequenz des von der LED -40 emittierten Lichtes und das Licht (bei der wenigstens einen Frequenz des Lichtes von der LED 40) von der LED 40 auf den

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lichtempfindlichen Empfänger 41 ohne wesentliche Streuung oder Leistungsverlust richten kann, wodurch im wesentlichen die gesamte Ausgangsintensität des Lichtes von der LED 40 an den lichtempfindlichen Empfänger 41 geliefert wird. Die optische Kopplungseinrichtung 45 kann willkürlich lang hergestellt werden, um den Abstand und dadurch die dielektrische Festigkeit zwischen der LED 40 und dem lichtempfindlichen Empfänger 41 zu vergrößern.

In Figur 3 ist ein schematisches Bild von einem anderen Ausführungsbeispiel der Empfangsisolationsschaltung gezeigt. Diese Schaltungsanordnung enthält eine Lichtquelle 50/ beispielsweise eine lichtemittierende Diode (LED) Type TXES475 von Texas Instruments oder ähnliches, einen lichtempfindlichen Empfänger 51, wie beispielsweise eine Photodiode Type TXED455 von Texas Instruments oder ähnliches, einen Verstärker 52, von dem ein Eingang mit einer Empfangsspannungsquelle +V verbunden ist und dessen andere Eingänge mit der Anode und Kathode des lichtempfindlichen Empfängers 51 verbunden sind, um den Strom durch den Empfänger 51 zu verstärken, ferner einen Spannungsreferenzoder Spannungsverschiebungstransistor 53, der einen offenen Kollektor aufweist und dessen Basis mit dem Ausgang des Verstärkers 52 verbunden ist, um das Empfangsdatensignal am Kollektor des Transistors 53 zu liefern, einen pull-up-Widerstand zum Anlegen der Spannung +V der Betriebsspannungsquelle an den Kollektor des Transistors 53 und eine optische Kopplungseinrichtung 55 zum optischen Koppeln der LED 50 und des lichtempfindlichenjEmpfängers 51. Der Spannungsreferenztransistor 53 gestattet, daß dessen Kollektor mit einer Betriebsspannung +V über einen pull-up-Widerstand R verbunden wird, so daß die am Kollektor des Transistors 53 verfügbaren Spannungspegel die ersten und zweiten logischen Zustände anzeigen, wenn der Transistor 43 durchgeschaltet bzw. gesperrt wird. Der Transistor 53 kann überflüssig sein, wenn die Spannung des am Ausgang des Verstärkers 52 verfügbaren Signals mit einem Empfänger (nicht gezeigt) kompatibel ist, der mit dem Ausgang des Verstärkers 52 verbunden ist. Die optische Kopplungseinrichtung 55 kann

einen einzelnen Strang oder mehrere Stränge oder ein Bündel von Faseroptikmaterial aufweisen, das einen kleinen Leistungsverlust bei wenigstens einer Frequenz des von der LED 50 emittierten Lichts aufweist und licht (bei der wenigstens einen Frequenz des Lichts von der LED 50) von der LED 50 auf den lichtempfindlichen Empfänger 51 ohne übermäßige Steuung oder Leistungsverlust richten kann, wodurch im wesentlichen die gesamte Ausgangsintensität des Lichtes von der LED 50 an den lichtempfindlichen Empfänger 51 geliefert wird. Die optische Kopplungseinrichtung 45 kann willkürlich lang hergestellt werden, um den Abstand und dadurch die dielektrische Festigkeit zwischen der LED 50 und dem lichtempfindlichen Empfänger 41 zu vergrößern.

Beispielsweise beträgt bei den Konfigurationen in den Figuren 2 und 3 die dielektrische Festigkeit der optischen Kopplungsmittel 45 und 55 etwa 100 kV/m. Indem also die optischen Kopplungsmittel 45 und 55 etwa 3 cm lang gemacht werden, kann eine dielektrische Festigkeit von etwa 3 kV zwischen der Communikationsschaltungsmasse und jeder der örtlichen und entfernten Logikmasse erhalten werden. Falls eine größere dielektrische Festigkeit gewünscht wird, kann die Länge der optischen Kopplungsmittel 45 und/oder 55 vergrößert werden.

Figur 4 zeigt mehrere optische Sendeisolatoren (TOI) 15 und mehrere optische Empfangsisolatoren (ROI) 25, die mit dem Communikationsbus 100 verbunden sind. Die Erde bzw. Masse der Communikationsschaltung ist von jeder Erde bzw. Masse der örtlichen Logikschaltung (RLG) und jeder Erde bzw. Masse der entfernten Logikschaltung (RLG) durch entsprechende Schaltungen TOI 15 und ROI 25 getrennt bzw. isoliert, üblicherweise enthält jede Station (nicht gezeigt) des Systems einen TOI 15 und einen ROI 25. Die Betriebsspannung +V der Communikations-

* ^ commun

schaltung kann durch eine Leistungseinspeisung (nicht gezeigt) geliefert werden, die einer Station Leistung zuführt; aus Gründen der Redundanz und Betriebssicherheit wird es jedoch vorgezogen, daß die Spannung +V durch eine getrennte Ein-

^c ³ commun

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speisung (nicht gezeigt) geliefert wird.

In Figuren 5A und 5B ist ein einzelner optischer Sendeisolator 15 und ein einzelner optischer Empfangsisolator 25 gezeigt, die mit dem Communikationsbus 100 verbunden sind. Figur 5A zeigt den Stromfluß i in dem System, wenn der Transistor 33

während des Sendenseines höheren Status, der als eine logische angenommen sei, leitend ist. Unabhängigk von der Anzahl anderer optischer Sendeisolatoren, die mit dem Bus 100 gekoppelt sind, oder dem logischen Status, den sie zu senden versuchen (es sei angenommen, daß alle bis auf einen von mehreren Sendeisolatoren 15, die mit dem Bus 100 verbunden sind, versuchen, eine logische 0 zu senden, und der eine verbleibende Sendeisolator eine logische 1 zu senden versucht) wird der gesamte Strom durch den Bus 100 durch den Transistor 33 (der durch den Sendeisolator 15 durchgeschaltet ist, um eine logische 1 zu senden zu versuchen) zur Erde bzw. Masse der Communikationsschaltung geshunte"t, wodurch sichergestellt wird, daß alle mit dem Bus 100 verbundene Empfangsisolatoren 25 eine logische 1 abtasten.

Figur 5B zeigt den Stromfluß i¹ in dem System, wenn der Transistor 33 während des Sendens von einem niederen Status gesperrt ist, der als eine logische 0 angenommen wird. Der Strom i¹ ist der Strom, der in einen einzelnen Empfänger fließt, und der Strom i ist der Strom, der allen Empfängern zugeführt werden kann, die mit dem Bus 100 verbunden sind. Der Strom fließt von den Begrenzungswiderständen R durch den ersten Zweig 101 des Bus 100 durch den Begrenzungswiderstand Rw durch den Empfangsisolator 25 und dann zurück zur Erde bzw. Masse der Communikationsschaltung.

Somit wurde also ein verteiltes Communikationssystem dargestellt und beschrieben, bei dem ein Communikationsbus auf dar mit verbundene Sender und Empfänger anspricht und elektrisch von diesen getrennt bzw. isoliert ist und bei dem die Wirkung von Erd-bzw. Masseströmen auf die Communikationsschaltung vermindert sind. Obwohl in jedem System die höheren und niederen

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Zustände als eine logische 1 bzw. eine logische 0 definiert sind, so können diese auch als eine logische 0 bzw. eine logische 1 definiert werden.

Ferner enthalten zwar die beschriebenen optischen Isolatoren 15 und 25 LED's 10 bzw. 20, die jeweils üblicherweise Licht (eine elektromagnetische Strahlung) im sichtbaren Spektrum emittieren, und geeignete Photodiodenfühler 11 bzw. 12 enthalten, so können die Isolatoren 15 und 25 auch QuellenKDbzw. 20 mit anderen Formen elektromagnetischer Strahlung/ wie beispielsweise Infrarot (IR), Ultra-violett (UV), Mikrowellen usw., und geeignete Fühler 11, 12 enthalten, die auf die Strahlung ansprechen, die durch ihre zugehörigen Quellen 10 bzw. 20 emittiert werden. Beispielsweise kann die Quelle eine Gunn-Diode enthalten, die Mikrowellen erzeugt, und der Sensor 11 kann eine Tunneldiode enthalten, die Mikrowellen abtastet.

Claims

Ansprüche

gekennzeichnet durch:

a) Sendemittel (200), die mit einer elektrischen örtlichen Verknüpfungsschaltungsmasse bzw. -erde verbunden sind,

b) Empfangsmittel (300), die mit einer elektrischen entfernten Verknüpfungsschaltungserde bzw.-masse verbunden sind,

c) einen logischen Konkurrenzbus mit einer elektrischen Schaltungserde bzw. -masse, wobei der Bus mit den Sendemitteln (200) und den Empfangsmitteln (300) in Datenverbindung stehen kann, und

d) erste und zweite Isolationsmittel (15, 25), die mit dem Bus (100) gekoppelt sind, zum elektrischen Trennen bzw. Isolieren der Schaltungsmasse von der örtlichen Logikschaltungsmasse bzw. der entfernten Logikschaltungsmasse.
2..Communikationssytem nach Anspruch 1.

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Isolationseinrichtung (15) eine erste Lichtquelle (10) enthält, die optisch mit einem ersten lichtempfindlichen

Empfänger (11) gekoppelt und elektrisch von diesem isoliert ist, wobei die erste Lichtquelle elektrisch mit den Sendemitteln (200) verbunden sein kann und der erste lichtempfindliche Empfänger (11) elektrisch mit dem Bus (100) verbunden ist, und daß die zweite Isolationseinrichtung (20) eine zweite Lichtquelle (20) aufweist, die optisch mit einem zweiten lichtempfindlichen Empfänger (21) gekoppelt und elektrisch von diesem isoliert ist, wobei die zweite Lichtquelle elektrisch mit dem Bus verbunden ist und der zweite-lichtempfindliche Empfänger elektrisch mit den Empfangsmitteln (300) verbunden sein kann.
3. Communikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Lichtquelle erste bzw. zweite lichtemittierende Dioden (LED) aufweist.
4. Communikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der logische Konkurrenzbus (100) erste und zweite Zweige (101, 102) aufweist, wobei der zweite Zweig (102) mit der elektrischen Schaltungsmasse verbunden ist, und daß das System ferner mit der ersten Isolationseinrichtung (15) gekoppelte Schaltmittel (33) aufweist zum Verbinden des ersten Zweiges mit dem zweiten Zweig bei einem Signal von den Sendemitteln (200).
5. Communikationssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmitteln (33) einen Transistor aufweisen.
6. Communikationssystem nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Faseroptikstrang die erste Lichtquelle (10) mit dem ersten lichtempfindlichen Empfänger (11) koppelt.
7. Communikationssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein

Faseroptikstrang die zweite Lichtquelle (20) mit dem zweiten lichtempfindlichen Empfänger (21) koppelt.
8. Communikationssystem nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet/ daß ein erster Faseroptikstrang die erste Lichtquelle mit dem ersten lichtempfindlichen Empfänger und ein zweiter Faseroptikstrang die zweite Lichtquelle mit dem zweiten lichtempfindlichen Empfänger koppelt.
9. Communikationssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Faseroptikstrang die erste LED mit dem ersten lichtempfindlichen Empfänger koppelt.
10. Communikationssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Faseroptikstrang die zweite LED mit dem zweiten lichtempfindlichen Empfänger koppelt.
11..Communikationssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Faseroptikstrang die erste LED mit dem ersten lichtempfindlichen Empfänger und ein zweiter Faseroptikstrang die zweite LED mit dem zweiten lichtempfindlichen Empfänger koppelt.
12. Communikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Isolationseinrichtung eine erste Quelle elektromagnetischer Strahlung aufweist, die strahlungsmäßig mit einem ersten elektromagnetischen strahlungsempfindlichen Empfänger gekoppelt und elektrisch von diesem getrennt bzw. isoliert ist, wobei die erste Quelle elektromagnetischer Strahlung elektrisch mit der Sendeeinrichtung gekoppelt und der erste elektromagnetische strahlungsempfindliche Empfänger elektrisch mit dem Bus gekoppelt sein kann, und daß die zweite Isolationseinrichtung eine zweite Quelle elektromagnetischer Strahlung aufweist, die strahlungsmäßig mit einem zweiten elek-

tromagnetischen strahlungsempfindlichen Empfänger gekoppelt und elektrisch von diesem getrennt bzw. isoliert ist, wobei die zweite Quelle elektromagnetischer Strahlung elek-r trisch mit dem Bus gekoppelt und der zweite elektromagnetische strahlungsempfindliche Empfänger elektrisch mit der Empfangseinrichtung gekoppelt sein kann.
13. Communikationssystem,
gekennzeichnet durch:

a) mehrere Sendeeinrichtungen, die jeweils'mit einer getrennten elektrischen örtlichen Logikschaltungserde bzw. -masse verbunden sind,

b) Empfangsmittel, die mit einer elektrischen entfernten Logikschaltungsmasse bzw. -erde verbunden sind,

c) einen logischen Konkurrenzbus mit einer elektrischen Schaltungserde bzw. -masse, wobei der Bus mit jedem der mehreren Übertragungseinrichtungen und der Empfangseinrichtung in Datenverbindung stehen kann,

d) erste Isolationsmittel, die mit dem Bus gekoppelt sind zum elektrischen Trennen bzw. Isolieren der Schaltungsmasse von der entfernten Logikschaltungsmasse und

e) mehrere zweite Isolationseinrichtungen, die jeweils mit dem Bus und jedem der mehreren Sendeeinrichtungen gekoppelt sind zum elektrischen Isolieren der Schaltungsmasse von jeder der elektrischen örtlichen Logikschaltungsmassen.
14. Communikationssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Isolationseinrichtung eine erste Lichtquelle aufweist, die optisch mit einem ersten lichtempfindlichen Empfänger gekoppelt und elektrisch von diesem isoliert bzw. getrennt ist, wobei die erste Lichtquelle elektrisch mit dem Bus verbunden ist und der erste lichtempfindliche Empfänger elektrisch mit der Empfangseinrichtung gekoppelt sein kann, und daß wenigstens eine der mehreren zweiten Isolationseinrichtungen eine zweite Lichtquelle aufweist, die optisch

mit einem zweiten lichtempfindlichen Empfänger gekoppelt und elektrisch von diesem isoliert bzw. getrennt ist, wobei jede zweite Lichtquelle elektrisch mit jedem der mehreren Sendeeinrichtungen gekoppelt werden kann und jeder der zweiten lichtempfindlichen Empfänger mit dem Bus elektrisch gekoppelt werden kann.
15. Communikationssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lichtquelle eine erste lichtemittierende Diode aufweist, und jede der zweiten Lichtquellen eine zweite lichtemittierende Diode aufweist.
16. Communikationssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der logische Konkurrenzbus erste und zweite Zweige aufweist, wobei der zweite Zweig mit der elektrischen Schaltungsmasse verbunden ist, und wobei das System ferner mehrere Schalteinrichtungen aufweist, wobei jede Schalteinrichtung mit einer unterschiedlichen der mehreren zweiten Isolationseinrichtungen verbunden ist zum Verbinden des ersten Zweiges mit dem zweiten Zweig bei einem Signal von der einen von jeder der mehreren Sendeeinrichtungen, die mit der einen von mehreren zweiten Isolationseinrichtungen gekoppelt ist.
17. Communikationssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jede der mehreren Schalteinrichtungen einen Transistor aufweist.
18. Communikationssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Faseroptikstrang die erste Lichtquelle mit dem ersten lichtempfindlichen Empfänger koppelt.
19. Communikationssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß für

wenigstens eine der zweiten Isolationseinrichtungen ein Faseroptikstrang vorgesehen ist, der die zweite Lichtquelle mit dem zweiten lichtempfindlichen Empfänger koppelt.
20. Communikationssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Faseroptikstrang die erste Lichtquelle mit dem ersten lichtempfindlichen Empfänger koppelt und für wenigstens eine der zweiten Isolationseinrichtungen ein zweiter Faseroptikstrang vorgesehen ist, der die zweite Lichtquelle mit dem zweiten lichtempfindlichen Empfänger koppelt.
21. Communikationssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Faseroptikstrang die erste LED mit dem ersten lichtempfindlichen Empfänger koppelt.
22. Communikationssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens eine der zweiten Isolationseinrichtungen ein Faseroptikstrang vorgesehen ist, der die zweite LED mit dem zweiten lichtempfindlichen Empfänger koppelt.
23. Communikationssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Faseroptikstrang die erste LED mit dem ersten lichtempfindlichen Empfänger koppelt und für wenigstens eine der zweiten Isolationseinrichtungen ein zweiter Faseroptikstrang vorgesehen ist, der die zweite LED mit dem zweiten lichtempfindlichen Empfänger koppelt.
24. Communikationssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Isolationseinrichtung eine erste Quelle elektromagnetischer Strahlung aufweist, die strahlungsmäßig mit einem ersten elektromagnetischen strahlsempfindlichen Empfänger

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gekoppelt, und elektrisch von diesem getrennt bzw. isoliert ist, wobei die erste Quelle elektromagnetischer Strahlung elektrisch mit dem Bus gekoppelt ist und der erste für elektromagnetische Strahlung empfindliche Empfänger elektrisch mit der Empfangseinrichtung gekoppelt werden kann, und daß wenigstens eine der zweiten Isolationseinrichtungen eine zweite Quelle elektromagnetischer Strahlung aufweist, die strahlungsmäßig mit einem zweiten für elektromagnetische Strahlung empfindlichen Empfänger gekoppelt ist, wobei jede zweite Quelle elektromagnetischer Strahlung elektrisch mit einer anderen der mehreren Sendeeinrichtungen gekoppelt werden kann und der zweite für elektromagnetische Strahlung empfindliche Empfänger elektrisch mit dem Bus gekoppelt ist.
25. Communikationssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 24, gekennzeichnet durch:

a) mehrere Empfangseinrichtungen, die jeweils mit einer getrennten elektrischen entfernten Logikschaltungssrde bzw. -masse verbunden sind,

b) einen logischen Konkurrenzbus mit einer elektrischen Schaltungserde bzw. -masse, wobei der Bus mit jeder der mehreren Sendeeinrichtungen und jeder der mehreren Empfangseinrichtungen gekoppelt sein kann,

c) mehrere erste Isolationseinrichtungen, die jeweils mit dem Bus und einer der mehreren Sendeeinrichtungen gekoppelt sind zum elektrischen Trennen bzw. Isolieren der Schaltungsmasse von jeder der elektrischen örtlichen Logikschaltungsmassen, und

d) mehrere zweite Isolationseinrichtungen, die jeweils mit dem Bus gekoppelt und einer der mehreren Empfangseinrichtungen gekoppelt sind zum elektrischen Isolieren der Schaltungsmasse von jeder elektrischen entfernten Logikschaltungsmassen.
26. Communikationssystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine . der mehreren ersten Isolationseinrichtungen eine erste Lichtquelle aufweist, die optisch mit einem ersten lichtempfindlichen Empfänger gekoppelt und elektrisch von diesem getrennt bzw. isoliert sind, wobei jede der ersten Lichtquellen elektrisch mit einer der mehreren Sendeeinrichtungen gekoppelt sein kann unä jeder erste lichtempfindliche Empfänger elektrisch mit dem Bus gekoppelt ist, wobei wenigstens eine der mehreren zweiten Isolationseinrichtungen eine zweite Lichtquelle aufweist, die optisch mit einem zweiten lichtempfindlichen Empfänger gekoppelt und elektrisch von diesem isoliert bzw. getrennt ist, wobei jede zweite Lichtquelle elektrisch mit dem Bus gekoppelt ist und jeder zweite lichtempfindliche Empfänger elekrisch mit einem der mehreren Empfangseinrichtungen gekoppelt sein kann.

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27. Communikationssystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten Lichtquellen eine erste Licht emittierende Diode (LED) aufweist und jede der zweiten Lichtquellen eine Licht emittierende Diode (LED) aufweist.
28. Communikationssystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der logische Konkurrenzbus erste und zweite Zweige aufweist, wobei der zweite Zweig mit der Erde bzw. Masse der elektrischen Schaltungsanordnung verbunden ist, und daß das System weiterhin mehrere Schalteinrichtungen aufweist, die jeweils mit einer anderen der mehreren ersten Isolationseinrichtungen verbunden ist zum Verbinden des ersten Zweiges mit dem zweiten Zweig bei einem Signal von einer der mehreren Sendeeinrichtungen, die mit der einen der mehreren ersten Isolationseinrichtungen gekoppelt ist.
29. Communikationssystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß jede der mehreren Schalteinrichtungen einen Transistor aufweist.
30. Communikationssystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens eine der ersten Isolationseinrichtungen ein Faseroptikstrang vorgesehen ist, der die erste Lichtquelle mit der ersten lichtempfindlichen Einrichtung verbindet.
31. Communikationssystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens eine der zweiten Isolationseinrichtungen ein Faseroptikstrang vorgesehen ist, der die zweite Lichtquelle mit dem zweiten lichtempflindlichen Empfänger verbindet.
32. Communikationssystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens eine der ersten Isolationseinrichtungen ein

Faseroptikstrang vorgesehen ist, der die erste Lichtquelle mit dem ersten lichtempfindlichen Empfänger verbindet, und daß ferner für wenigstens eine der zweiten Isolationseinrichtungen ein zweiter Faseroptikstrang vorgesehen ist, der die zweite Lichtquelle mit dem zweiten lichtempfindlichen Empfänger verbindet.
33. Communikationssystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens eine der ersten Isolationseinrichtungen ein Faseroptikstrang vorgesehen ist, der die erste LED mit dem ersten lichtempfindlichen Empfänger koppelt.
34. Communikationssystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens eine der zweiten Isolationseinrichtungen ein Faseroptikstrang vorgesehen ist, der die zweite LED mit dem zweiten lichtempfindlichen Empfänger koppelt.
35. Communikationssystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens eine der ersten Isolationseinrichtungen ein Faseroptikstrang vorgesehen ist, der die erste LED mit dem ersten lichtempfindlichen Empfänger koppelt und daß für wenigstens eine der zweiten Isolationseinrichtungen ein Faseroptikstrang vorgesehen ist, der die zweite LED mit dem zweiten lichtempfindlichen Empfänger koppelt.
36. Communikationssystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der mehreren ersten Isolationseinrichtungen eine erste Quelle elektromagnetischer Strahlung aufweist, die strahlungsmäßig mit einem ersten für elektromagnetische Strahlung empfindlichen Empfänger gekoppelt und elektrisch von diesem getrennt bzw. isoliert ist, wobei jede erste Quelle elektromagnetischer Strahlung elektrisch mit einer anderen der mehreren Sendeeinrichtungen gekoppelt sein kann und jeder erste für elektromagnetische

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Strahlung empfindliche Empfänger elektrisch mit dem Bus gekoppelt ist, und daß wenigstens eine der zweiten Isolationseinrichtungen eine zweite Quelle elektromagnetischer Strahlung aufweist, die strahlungsmäßig mit einem zweiten für elektromagnetische Strahlung empfindlichen Empfänger gekoppelt und elektrisch von diesem isoliert bzw. getrennt ist, wobei jede zweite Quelle elektromagnetischer Strahlung elektrisch mit dem Bus gekoppelt ist und der zweite für elektromagnetische Strahlung empfindliche Empfänger elektrisch mit einer anderen der mehreren Empfangseinrichtungen gekoppelt sein kann.