-
-
Elektronischer Schalter mit mindestens einem Optokoppler
-
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Schalter mit mindestens
einem Optokoppler und einem durch einen Fotoempfänger des Optokopplers gesteuerten
Schaltverstärker, der einen Verbraucher an eine Versorgungsspannung an schaltet.
-
Halbleiterschalter unter Verwendung von Optokopplern haben einen großen
Anwendungsbereich zur Übertragung von digitalen oder auch analogen Signalen bei
gleichzeitiger galvanischer Trennung eines steuernden Kreises von dem zu steuernden
Empfänger, z.B. einem elektrischen Verbraucher in Form einer Meldelampe in einer
Meldetafel von Eisenbahnsicherungsanlagen. Allein unter Verwendung normaler bipolarer
Transistoren läßt sich das Problem der galvanischen Trennung von Steuer- und Schaltteil
nicht lösen, da der Steuerkreis bei Transistoren galvanisch mit dem Schaltkreis
verbunden ist. Unter Verwendung von optoelektronischen Kopplern, die im Primärkreis,
also im Steuerkreis, als Fotosender beispielsweise eine Leuchtdiode und als Fotoempfänger
im Ausgangskreis beispielsweise einen Fototransistor enthalten, wird eine ausgezeichnete
Entkopplung erzielt. Derartige Schaltungen sind bekannt und im Fachbuch von Schmidt/Feustel,
VOGEL-VERLAG 1975, "Optoelektronikkurz und bündig, S. 184/185; 215, näher beschrieben.
-
Auf Seite 184 ist im Bild 6.16 eine verzerrungsarme Optokopplerschaltung
dargestellt und zusätzlich beschrieben. Diese Schaltung eignet sich vorzüglich zum
Auskoppeln von Tonsignalen aus einem Fernsehgerät, jedoch nicht zum Schalten von
elektrischen Verbrauchern
mit einer Leistungsaufnahme von einigen
Watt.
-
Gemäß Seite 185 der genannten Literaturstelle kann dem Optokoppler
ausgangsseitig eine Transistorschaltung als Nachverstärker zugeordnet werden. Gemäß
Bild 7.5 auf Seite 215 kann der Fotoempfänger einen als Schaltverstärker dienenden
Transistor steuern, der wiederum ein Relais betätigt. Diese bekannte, robuste Lichtschranke
hat den Vorteil der galvanischen Entkopplung zwischen Eingangs-und Ausgangskreis
und ist ferner in der Lage, mit Hilfe von Kontakten des Relais beliebige Verbraucher
unterschiedlicher Leistungsaufnahme zu steuern; sie arbeitet jedoch leider ausschließlich
unter Einsatz mechanischer Schalteinrichtungen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Schalter
der eingangs angegebenen Art so zu konzipieren, daß beispielsweise Meldelampen als
Verbraucher kontaktlos ein- und ausgeschaltet werden können und der im Kurzschlußfall,
beispielsweise bei einem Defekt im Lampensockel oder an der Lampe selber, reversibel
abschaltet, derart, daß der Schaltverstärker nicht zerstört wird.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein zweiter Optokoppler
vorgesehen ist, dessen Fotosender einerseits zusammen mit dem Verbraucher am Schaltverstärker
angeschlossen und andererseits mit der mittelbar an Versorgungsspannung liegenden
Elektrode des Fotoempfängers des ersten Optokopplers verbunden ist, wobei der Fotoempfänger
des zweiten Optokopplers mindestens mittelbar parallel zur Steuerstrecke des Schaltverstärkers
liegt.
-
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung wird darin gesehen,
daß die bekannte Schaltung im Prinzip nur durch einen einzigen weiteren Optokoppler
ergänzt werden muß, so daß die gesamte Schaltung nach wie
vor sehr
aufwandsarm ist. Zum Einleiten des reversiblen Abschaltens des Schaltverstärkers
im Kurzschlußfall ist in vorteilhafter Weise keine Kurzschlußstrommessung über irgendwelche
besonderen Meßwiderstände im Lastkreis erforderlich. Dies wirkt sich günstig auf
die gesamte Verlustleistung der Schaltung aus.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltung wird
darin gesehen, daß der Fotoempfänger des ersten Optokopplers über eine erste Zenerdiode
an der Versorgungsspannung liegt. Dies hat in vorteilhafter Weise zur Folge, daß
die Ansprechschwelle zum Abschalten des Schaltverstärkers bei einem Kurzschluß des
Verbrauchers weitgehend unabhängig von der Höhe der jeweiligen Versorgungsspannung
ist.
-
Eine andere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß zwischen
dem Fotoempfänger des ersten Optokopplers und der Steuerstrecke des Schaltverstärkers
eine Diode vorgesehen ist und der Fotoempfänger des zweiten Optokopplers parallel
zur Reihenschaltung aus der Diode und der Steuerstrecke des Schaltverstärkers liegt.
-
Durch diese Maßnahme wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, daß
der Schaltverstärker im Kurzschlußfall hinsichtlich seiner Schaltstrecke nicht in
irgendeinem beliebigen Ubergangszustand arbeitet, sondern mit Sicherheit gesperrt
ist.
-
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen elektronischen
Schalter unter Verwendung von Optokopplern mit Kurzschlußschutz und Figur 2 eine
Schaltungsvariante.
-
Die Schaltungsanordnung nach Figur 1 zeigt einen elektronischen Schalter
für einen Verbraucher in Form einer Lampe LE, die mit Hilfe einer lösbaren Verbindung
ST1/ST2, z.B. einem Lampensockel für Lampen mit Quetschfußanschluß, angeschlossen
werden kann. Das Ein-und Ausschalten der Lampe LE erfolgt kontaktlos mit Hilfe eines
Transistors TR, der bedarfsweise durch den Fotoempfänger FE1 eines ersten Optokopplers
OP1 angesteuert wird. Zum Speisen der Lampe LE sowie zur Stromversorgung der gesamten
übrigen Schaltung dient eine Versorgungsspannung +UB, die über Klemmen K1 und K2
zugeführt wird. Ein Widerstand R1, der die Basiselektrode des Transistors TR mit
dessen Emitterelektrode verbindet, sorgt dafür, daß der Transistor TR im nicht angesteuerten
Zustand sicher sperrt. Zum wahlweisen Ein- bzw. Ausschalten der Lampe LE werden
über zwei weitere Klemmen K3 und K4 diesbezügliche Steuersignale zugeführt. Sie
gelangen über einen Widerstand R2 auf einen Fotosender FS1 des ersten Optokopplers
OP1. Der als Fototransistor ausgebildete Fotoempfänger FE1 ist mit seiner Kollektorelektrode
mittelbar über einen Widerstand R3 mit der Klemme K1 verbunden und erhält somit
positives Versorgungspotential +U8. Der Widerstand R2 ist unter Berücksichtigung
der über die Klemmen K3 und K4 zugeführten Steuersignale so bemessen, daß der Fotoempfänger
FE1 beim Aussenden von Licht durch den Fotosender FS1 so weit durchgesteuert wird,
daß über den Widerstand R3 und die Schaltstrecke des Fotoempfängers FE1 ein ausreichender
Steuerstrom für den Transistor TR zur Verfügung steht.
-
Es wird nun davon ausgegangen, daß beispielsweise beim Einsetzen der
Lampe LE zwischen der lösbaren Verbindung ST1/ST2 ein Kurzschluß eintreten kann,
der ohne zusätzliche Maßnahmen beim Vorliegen eines Einschaltsignals an den Klemmen
K3 und K4 unweigerlich zum Zerstören des
Transistors TR führen würde.
Zum Schutz des Transistors TR ist ein zweiter Optokoppler OP2 vorgesehen, dessen
Fotosender FS2 einerseits mit dem Kollektor des Fotoempfängers FE1 des ersten Optokopplers
OP1 und andererseits zusammen mit dem Verbraucher, also der Lampe LE, mit der Kollektorelektrode
des Transistors TR verbunden ist. Der Fotoempfänger FE2 des zweiten Optokopplers
OP2 ist in Form eines Fototransistors parallel zur Steuerstrecke des Transistors
TR angeschlossen. Solange der Fotoempfänger FE2 keinerlei Strahlung vom zugehörigen
Fotosender FS2 erhält, wird die Schaltfunktion des Transistors TR in keiner Weise
geändert, derart, daß die Lampe LE in Abhängigkeit von den über die Klemmen K3 und
K4 zugeführten Signale ein- bzw. ausgeschaltet wird.
-
Bei einem derartigen ordnungsgerechten Betrieb liegt zwischen dem
Kollektor des Fotoempfängers FE1 und dem Kollektor des Transistors TR insbesondere
bei eingeschalteter Lampe LE eine so geringe Potentialdifferenz, daß der Fotosender
FS2 des zweiten Optokopplers OP2 keinerlei Strahlung auf den zugehörigen Fotoempfänger
FE2 abgibt. Dies ist jedoch dann nicht mehr der Fall, wenn zwischen der lösbaren
Verbindung ST1/ST2 ein Kurzschluß vorliegt. Dann liegt die Kollektorelektrode des
Transistors TR auf dem vollen Potential der Versorgungsspannung +UB und die Kollektorelektrode
des Fotoempfängers FE1 bei strahlendem Fotosender FS1 auf wesentlich niedrigerem
Potential. Dies hat zur Folge, daß der Fotosender FS2 auf den Fotoempfänger FE2
Strahlung abgibt.
-
Der dabei durch den Fotosender FS2 fließende Strom wird durch Bemessung
des durch den Fotoempfänger FEi fließenden Stromes auf einen zulässigen Wert begrenzt.
Der Fotoempfänger FE2 des zweiten Optokopplers OP2 wird in Folge der Bestrahlung
leitend und nimmt in diesem Zustand dem Transistor TR das über den Fotoempfänger
FE1 vom ersten Optokoppler OP1 zugeführte Steuerpotential, so daß der
Transistor
TR abschaltet bzw. abgeschaltet bleibt und trotz des bei der Lampe LE vorhandenen
Kurzschlusses in gewünschter Weise nicht zerstört wird.
-
Nach der Beseitigung des für das oben beschriebene Arbeitsbeispiel
angenommenen Kurzschlusses im Bereich der Lampe LE, also zwischen der lösbaren Verbindung
ST1/ST2 liegt an der Kollektorelektrode des Transistors TH und damit am Fotosender
FS2 nicht mehr das hohe positive Potential der Versorgungsspannung +UB, so daß der
Fotosender FS2 trotz leitend gesteuertem Fotoempfänger FE1 des ersten Optokopplers
OP1 nicht mehr leuchtet. Somit bleibt der Fotoempfänger FE2 des zweiten Optokopplers
OP2 nichtleitend, so daß das dem Transistor TR durch den Fotoempfänger FE1 zugeführte
Steuerpotential wieder wirksam werden kann. Der Transistor TR wird in dem Fall also
wieder leitend gesteuert.
-
Hiermit ist aufgezeigt, daß die beschriebene Schaltung im Kurzschlußfall
reversibel abschaltet. Aufgrund der Tatsache, daß dieses reversible Schalten durch
eine Spannungsauswertung im sicherlich nur selten vorkommenden Kurzschlußfall erfolgt,
erfordert die erfindungsgemäße Maßnahme im Normalbetrieb der Schaltung keinerlei
zusätzliche Leistung. Dies ist besonders wichtig, da derartige Schaltungen in großer
Vielzahl dicht gedrängt auf einer Platine aufgebaut werden.
-
Die Schaltungsanordnung nach Figur 2 stellt nach dem Schaltungsprinzip
dieselbe Schaltung da, wie sie anhand von Figur 1 bereits erläutert wurde. Somit
sind für die bereits erläuterten Bauelemente auch dieselben Bezugszeichen vorgesehen.
Als Unterschied ist hervorzuheben, daß anstelle des Widerstandes R3 in der Schaltung
nach Figur 1 eine Zenerdiode ZD1 eingefügt wurde. Diese schal-
tungstechnische
Maßnahme hat den besonderen Vorteil, daß eine Ansprechschwelle für das Wirksamwerden
des Optokopplers OP2 im Kurzschlußfall bei der lösbaren Verbindung ST1/ST2 unabhängig
von der jeweiligen Versorgungsspannung +UB ist. Das heißt mit anderen Worten, daß
eine einmal dimensionierte Schaltung des elektronischen Schalters für verschiedene
Anwendungsfälle bei verschiedenen Versorgungsspannungen +UB eingesetzt werden kann,
ohne daß eine andere Bemessung mindestens einiger Bauteile erforderlich wäre.
-
Zusätzlich ist noch eine zweite Zenerdiode ZD2 vorgesehen. Diese ist
zwischen den Fotoempfänger FE1 des ersten Optokopplers OP1 und die Steuerstrecke
des Transistors TR geschaltet. Dabei liegt dann der Fotoempfänger FE2 des zweiten
Optokopplers OP2 parallel zur Reihenschaltung aus der zweiten Zenerdiode ZD2 und
der besagten Steuerstrekke des Transistors TR. Aufgrund dieser Maßnahme ist bei
allen Umweltbedingungen sichergestellt, daß der Transistor TR im erläuterten Kurzschlußfall
mit Sicherheit voll gesperrt ist und nicht in einem unerwünschten, undefinierten
Ubergangszustand arbeitet.
-
Die Zenerdiode ZD2 kann in vorteilhafter Weise durch eine Leuchtdiode
ersetzt werden. Diese kann zum Anzeigen des jeweiligen Schaitzustandes des elektronischen
Schalters dienen, denn sie leuchtet immer dann, wenn auch die Lampe LE eingeschaltet
ist.
-
5 Patentansprüche 2 Figuren
- Leerseite -