DE3513883C2 - - Google Patents

Description

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 Versor­ gungsspannung anschaltet.

Halbleiterschalter unter Verwendung von Optokopplern haben einen großen Anwendungsbereich zur Übertragung von digitalen oder auch analogen Signalen bei gleich­ zeitiger 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 galva­ nisch mit dem Schaltkreis verbunden ist. Unter Verwen­ dung von optoelektronischen Kopplern, die im Primär­ kreis, also im Steuerkreis, als Fotosender beispiels­ weise eine Leuchtdiode und als Fotoempfänger im Aus­ gangskreis beispielsweise einen Fototransistor enthal­ ten, wird eine ausgezeichnete Entkopplung erzielt.

Der­ artige Schaltungen sind bekannt und im Fachbuch von Schmidt/Feustel, VOGEL-VERLAG 1975, "Optoelektronik - kurz und bündig", S. 184/185; 215, näher beschrieben. Auf Seite 184 ist im Bild 6.16 eine verzerrungsarme Optokopplerschaltung dargestellt und zusätzlich be­ schrieben. Diese Schaltung eignet sich vorzüglich zum Auskoppeln von Tonsignalen aus einem Fernsehgerät, je­ doch nicht zum Schalten von elektrischen Verbrauchern mit einer Leistungsaufnahme von einigen Watt. Gemäß Seite 185 der genannten Literaturstelle kann dem Optokoppler ausgangs­ seitig 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 Licht­ schranke hat den Vorteil der galvanischen Entkopplung zwischen Eingangs- und Ausgangskreis und ist ferner in der Lage, mit Hilfe von Kontakten des Relais beliebige Verbraucher unterschied­ licher Leistungsaufnahme zu steuern; sie arbeitet jedoch leider ausschließlich unter Einsatz mechanischer Schalteinrichtungen.

Aus der EP 01 11 028 A2 ist ein Leistungsschalter, insbeson­ dere Transistorleistungsschalter bekannt, dessen Ansteuerung u. a. ebenfalls über einen Optokoppler erfolgt. Zusätzlich sind aber auch noch eine Spannungsüberwachungsschaltung und eine Strombegrenzungsschaltung notwendig. Die letztgenannte arbeitet in Verbindung mit einem Meßwiderstand, so daß bereits bei Normalbetrieb des bekannten Leistungsschalters ein unnötiger Leistungsverbrauch vorliegt. Sind mehrere derartiger Leistungs­ schalter auf einer Platine vereinigt, ergibt sich eine Erwär­ mung, die unerwünscht ist.

Die DE-OS 28 51 461 beschreibt einen Schaltverstärker, Schutz­ schaltung und Verfahren zum Schutz eines Schalttransistors. Diese Schaltung erfordert eine besondere Steuerlogik, die mit einem durch einen Optokoppler steuerbaren Transistor in Ver­ bindung mit einer ein Bezugspotential erzeugenden Stabilisie­ rungsschaltung arbeitet. Im Betrieb erfordert dieser hohe technische Aufwand in unerwünschter Weise Energie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen aufwands­ armen elektronischen Schalter ohne Eigenerwärmung der eingangs angegebenen Art so zu konzipieren, daß beispielsweise Melde­ lampen 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, und zwar ohne Verwendung einer Strombegrenzer­ schaltung.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein zwei­ ter Optokoppler vorgesehen ist, dessen Fotosender einerseits zusammen mit dem Verbraucher am Schaltverstärker angeschlossen und andererseits mit der mittelbar an Versorgungsspannung liegenden einen Elektrode des Fotoempfängers des ersten Opto­ kopplers verbunden ist, wobei die andere Elektrode des Foto­ empfängers des ersten Optokopplers mit der Steuerelektrode des Schaltverstärkers verbunden ist und der Fotoempfänger des zweiten Optokopplers mindestens mittelbar parallel zur Steuerstrecke des Schaltverstärkers liegt.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung wird in dem sehr geringen Aufwand gesehen. Die bekannte, eingangs er­ läuterte Schaltung braucht im Prinzip nur durch einen einzigen weiteren Optokoppler in besonderer Weise ergänzt zu werden, 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 er­ forderlich. Dies wirkt sich günstig auf die gesamte Ver­ lustleistung 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 Verbrau­ chers weitgehend unabhängig von der Höhe der jeweiligen Versorgungsspannung ist.

Eine andere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß zwischen dem Fotoempfänger des ersten Optokopp­ lers 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 sicher­ gestellt, daß der Schaltverstärker im Kurzschlußfall hinsichtlich seiner Schaltstrecke nicht in irgendeinem beliebigen Übergangszustand arbeitet, sondern mit Sicher­ heit gesperrt ist.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher er­ läutert. Es zeigt

Fig. 1 einen elektronischen Schalter unter Verwendung von Optokopplern mit Kurzschlußschutz und

Fig. 2 eine Schaltungsvariante.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zeigt einen elektronischen Schalter für einen Verbraucher in Form einer Lampe LE, die mit Hilfe einer lösbaren Ver­ bindung ST 1/ST 2, z. B. einem Lampensockel für Lampen mit Quetschfußanschluß, angeschlossen werden kann. Das Ein- und Ausschalten der Lampe LE erfolgt kontaktlos mit Hil­ fe eines Transistors TR, der bedarfsweise durch den Fo­ toempfänger FE 1 eines ersten Optokopplers OP 1 angesteu­ ert wird. Zum Speisen der Lampe LE sowie zur Stromver­ sorgung der gesamten übrigen Schaltung dient eine Versor­ gungsspannung +UB, die über Klemmen K 1 und K 2 zugeführt wird. Ein Widerstand R 1, der die Basiselektrode des Tran­ sistors TR mit dessen Emitterelektrode verbindet, sorgt dafür, daß der Transistor TR im nicht angesteuerten Zu­ stand sicher sperrt. Zum wahlweisen Ein- bzw. Ausschal­ ten der Lampe LE werden über zwei weitere Klemmen K 3 und K 4 diesbezügliche Steuersignale zugeführt. Sie gelangen über einen Widerstand R 2 auf einen Fotosender FS 1 des ersten Optokopplers OP 1. Der als Fototransistor ausge­ bildete Fotoempfänger FE 1 ist mit seiner Kollektorelek­ trode mittelbar über einen Widerstand R 3 mit der Klemme K 1 verbunden und erhält somit positives Versorgungspoten­ tial +UB. Der Widerstand R 2 ist unter Berücksichtigung der über die Klemmen K 3 und K 4 zugeführten Steuersignale so bemessen, daß der Fotoempfänger FE 1 beim Aussenden von Licht durch den Fotosender FS 1 so weit durchgesteuert wird, daß über den Widerstand R 3 und die Schaltstrecke des Fotoempfängers FE 1 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 ST 1/ST 2 ein Kurzschluß eintreten kann, der ohne zusätz­ liche Maßnahmen beim Vorliegen eines Einschaltsignals an den Klemmen K 3 und K 4 unweigerlich zum Zerstören des Transistors TR führen würde. Zum Schutz des Transistors TR ist ein zweiter Optokoppler OP 2 vorgesehen, dessen Fotosender FS 2 einerseits mit dem Kollektor des Foto­ empfängers FE 1 des ersten Optokopplers OP 1 und anderer­ seits zusammen mit dem Verbraucher, also der Lampe LE, mit der Kollektorelektrode des Transistors TR verbunden ist. Der Fotoempfänger FE 2 des zweiten Optokopplers OP 2 ist in Form eines Fototransistors parallel zur Steuer­ strecke des Transistors TR angeschlossen. Solange der Fotoempfänger FE 2 keinerlei Strahlung vom zugehörigen Fotosender FS 2 erhält, wird die Schaltfunktion des Tran­ sistors TR in keiner Weise geändert, derart, daß die Lampe LE in Abhängigkeit von den über die Klemmen K 3 und K 4 zugeführten Signale ein- bzw. ausgeschaltet wird. Bei einem derartigen ordnungsgerechten Betrieb liegt zwischen dem Kollektor des Fotoempfängers FE 1 und dem Kollektor des Transistors TR insbesondere bei einge­ schalteter Lampe LE eine so geringe Potentialdifferenz, daß der Fotosender FS 2 des zweiten Optokopplers OP 2 keinerlei Strahlung auf den zugehörigen Fotoempfänger FE 2 abgibt. Dies ist jedoch dann nicht mehr der Fall, wenn zwischen der lösbaren Verbindung ST 1/ST 2 ein Kurz­ schluß vorliegt. Dann liegt die Kollektorelektrode des Transistors TR auf dem vollen Potential der Versorgungs­ spannung +UB und die Kollektorelektrode des Fotoempfän­ gers FE 1 bei strahlendem Fotosender FS 1 auf wesentlich niedrigerem Potential. Dies hat zur Folge, daß der Foto­ sender FS 2 auf den Fotoempfänger FE 2 Strahlung abgibt. Der dabei durch den Fotosender FS 2 fließende Strom wird durch Bemessung des durch den Fotoempfänger FE 1 fließen­ den Stromes auf einen zulässigen Wert begrenzt. Der Foto­ empfänger FE 2 des zweiten Optokopplers OP 2 wird in Folge der Bestrahlung leitend und nimmt in diesem Zustand dem Transistor TR das über den Fotoempfänger FE 1 vom ersten Optokoppler OP 1 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 Ar­ beitsbeispiel angenommenen Kurzschlusses im Bereich der Lampe LE, also zwischen der lösbaren Verbindung ST 1/ST 2 liegt an der Kollektorelektrode des Transistors TR und damit am Fotosender FS 2 nicht mehr das hohe positive Potential der Versorgungsspannung +UB, so daß der Foto­ sender FS 2 trotz leitend gesteuertem Fotoempfänger FE 1 des ersten Optokopplers OP 1 nicht mehr leuchtet. Somit bleibt der Fotoempfänger FE 2 des zweiten Optokopplers OP 2 nichtleitend, so daß das dem Transistor TR durch den Fotoempfänger FE 1 zugeführte Steuerpotential wieder wirk­ sam 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 vorkommen­ den Kurzschlußfall erfolgt, erfordert die erfindungsge­ mäße 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 Fig. 2 stellt nach dem Schaltungsprinzip dieselbe Schaltung dar, wie sie anhand von Fig. 1 bereits erläutert wurde. Somit sind für die bereits erläuterten Bauelemente auch dieselben Bezugs­ zeichen vorgesehen. Als Unterschied ist hervorzuheben, daß anstelle des Widerstandes R 3 in der Schaltung nach Fig. 1 eine Zenerdiode ZD 1 eingefügt wurde. Diese schal­ tungstechnische Maßnahme hat den besonderen Vorteil, daß eine Ansprechschwelle für das Wirksamwerden des Optokopp­ lers OP 2 im Kurzschlußfall bei der lösbaren Verbindung ST 1/ST 2 unabhängig von der jeweiligen Versorgungsspan­ nung +UB ist. Das heißt mit anderen Worten, daß eine ein­ mal dimensionierte Schaltung des elektronischen Schal­ ters 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 ZD 2 vorgese­ hen. Diese ist zwischen den Fotoempfänger FE 1 des ersten Optokopplers OP 1 und die Steuerstrecke des Transistors TR geschaltet. Dabei liegt dann der Fotoempfänger FE 2 des zweiten Optokopplers OP 2 parallel zur Reihenschaltung aus der zweiten Zenerdiode ZD 2 und der besagten Steuerstrec­ ke des Transistors TR. Aufgrund dieser Maßnahme ist bei allen Umweltbedingungen sichergestellt, daß der Transi­ stor TR im erläuterten Kurzschlußfall mit Sicherheit voll gesperrt ist und nicht in einem unerwünschten, undefinier­ ten Übergangszustand arbeitet.

Die Zenerdiode ZD 2 kann in vorteilhafter Weise durch eine Leuchtdiode ersetzt werden. Diese kann zum Anzeigen des jeweiligen Schaltzustandes des elektronischen Schalters dienen, denn sie leuchtet immer dann, wenn auch die Lampe LE eingeschaltet ist.

Claims (5)

1. Elektronischer Schalter mit mindestens einem Optokopp­ ler und einem durch einen Fotoempfänger des Optokopplers gesteuerten Schaltverstärker, der einen Verbraucher an eine Versorgungsspannung anschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Optokopp­ ler (OP 2) vorgesehen ist, dessen Fotosender (FS 2) einer­ seits zusammen mit dem Verbraucher (LE) am Schaltverstär­ ker (TR) angeschlossen und andererseits mit der mittel­ bar an Versorgungsspannung (+UB) liegenden einen Elektrode des Fotoempfängers (FE 1) des ersten Optokopplers (OP 1) verbunden ist, wobei die andere Elektrode des Fotoempfängers (FE 1) des ersten Optokopplers (OP 1) mit der Steuer­ elektrode des Schaltverstärkers (TR) ver­ bunden ist und der Fotoempfänger (FE 2) des zweiten Optokopplers (OP 2) mindestens mittelbar parallel zur Steu­ erstrecke des Schaltverstärkers (TR) liegt.

2. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fotoempfänger (FE 1) des ersten Optokopplers (OP 1) über eine erste Zenerdiode (ZD 1) an der Versorgungsspannung (+UB) liegt.

3. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen dem Fotoempfänger (FE 1) des ersten Optokopplers (OP 1) und der Steuerstrecke des Schaltverstärkers (TR) eine Diode (ZD 2) vorgesehen ist und der Fotoempfänger (FE 2) des zweiten Optokopplers (OP 2) parallel zur Rei­ henschaltung aus der Diode (ZD 2) und der Steuerstrecke des Schaltverstärkers (TR) liegt.

4. Elektronischer Schalter nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß als Diode eine Zenerdiode (ZD 2) verwendet ist.

5. Elektronischer Schalter nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß als Diode eine Leuchtdiode dient.