DE3533278A1 - Schaltungsanordnung zur potentialfreien signaluebertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur potentialfreien Signalübertragung bei stark schwan­ kenden Potentialverhältnissen von einem Elektronikteil mittels eines Übertragungsgliedes auf eine Leistungsend­ stufe. Die Anordnung findet Anwendung bei der Übertra­ gung von Betriebszuständen in der Antriebstechnik.

Während früher zur potentialfreien Signalübertragung, also zur galvanischen Trennung von Schaltungen, Trans­ formatoren eingesetzt wurden, so übernimmt heute der Optokoppler in den meisten Anwendungsfällen die galvani­ sche Trennung. Er dient zur Pegelanpassung, zur Signal­ verarbeitung und ist oft auch die preisgünstigste Schal­ tungsvariante. Im Optokoppler wird die Kopplung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite mit optischen Signalen be­ werkstelligt. Dabei benötigt man am Eingang einen Wand­ ler, der ein elektrisches in ein optisches Signal umwan­ delt. Dieses optische Signal benötigt einen Empfänger, der das Signal wieder in ein elektrisches Signal umwandelt. Beide, Sender und Empfänger, werden galva­ nisch getrennt in einem Gehäuse untergebracht, das so­ wohl für eine gute Isolation zwischen Eingang und Aus­ gang sorgt und andererseits diese Anordnung von der Um­ welt abschirmt.

Grundlagen der optischen Kuppelelemente sind beispiels­ weise bekannt aus dem Buch: "Optoelektronik" von Jörg- Uwe Fischbach, expert-Verlag 1982, Band 16, Kontakt und Studium, Seite 101 bis 106.

Die Kopplung in einem Optokoppler erfolgt über Photonen und nicht über geladene Teilchen, so daß die elektrische Isolierung sicherer als bei Transformatoren ist, da Pho­ tonen im Gegensatz zu geladenen Teilchen von elektri­ schen und magnetischen Feldern nicht beeinflußt werden. Optokoppler übertragen Signale nur in einer Richtung, so daß Änderungen im Lastkreis das Eingangssignal nicht beeinflussen.

Nachteilig beim Einsatz von Optokopplern ist die hohe Koppelkapazität und eine empfindliche Reaktion auf hohe du/dt. Bei hohen Potentialsprüngen können so leicht Störspannungen entstehen, die größer als das Nutzsignal werden. Dies ist besonders in der Antriebstechnik nach­ teilig, weil hier mit Spannungssprüngen von 600 Volt zu rechnen ist.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine einfach auf­ gebaute Schaltungsanordnung zu finden, bei der über ein Bauteil mit geringer Koppelkapazität Signale potential­ frei übertragen werden. Es sollen dabei Anschaltimpulse von einer Elektronik über ein potentialtrennendes Ele­ ment zu einem Leistungsschalter geführt werden und eine Rückmeldung an das Elektronikteil erfolgen.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patent­ anspruchs 1 erreicht. Ausgestaltungen sind aus den Unter­ ansprüchen ersichtlich.

Es wird zwar bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanord­ nung bewußt ein in der Herstellung teurer Übertrager eingesetzt, doch weist dieser Übertrager eine sehr ge­ ringe Koppelkapazität von ca. 1 bis 2 pF auf. Der Über­ tragungstransformator wird zudem in vorteilhafter Weise doppelt ausgenutzt, weil er Signale in beiden Richtungen überträgt. Eine derartige Schaltungsanordnung wäre des­ halb mit einem üblichen Optokoppler (Kopplungskapazität bis 60 pF) gar nicht möglich.

Der Übertragungstransformator leitet dabei eine Impuls­ spannung als Ansteuersignal aus dem Elektronikteil auf eine Leistungsendstufe und überträgt gleichzeitig in an­ derer Richtung ein Rückmeldesignal (beispielsweise über einen Störfall) aus der Endstufe zu der Elektronik. Die zeitliche Reihenfolge von Ansteuersignal und Rückmelde­ signal erfolgt dabei selbstverständlich nacheinander.

Durch die geringe Koppelkapazität des Übertragers ist die gesamte Anordnung sehr unempfindlich gegen die schnellen und hohen Spannungsschwankungen in der Lei­ stungsendstufe (gleichgerichtetes 380-Volt-Netz für Lei­ stungsstellantriebe). Durch die Rückübertragung eines Signals von dem Leistungsteil in den Steuerkreis über denselben Übertrager wird ein zusätzliches Übertragungs­ bauteil eingespart.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sind aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

An einem Elektronikteil 1 anstehende Steuerimpulse wer­ den über einen Transformator 2 auf eine Leistungsendstu­ fe 3 übertragen. Ein Rückmeldesignal aus der Leistungs­ endstufe 3 beeinflußt über einen Schalter 4 den Trans­ formator 2. Diese Beeinflussung des Transformators wird über eine Auswerteschaltung mit zwei parallelen Kompara­ toren 5 und 6, sowie einem nachgeschalteten Verknüpfungs­ glied 7 und einem Filter 8 ausgewertet, so daß ein stö­ rungsfreies Rücksetzsignal das Elektronikteil 1 abschal­ ten kann.

An das Elektronikteil 1 ist die Reihenschaltung eines Verstärkers 9 und der Primärwicklung des Transformators 2 angelegt. Der Verstärker 9 liefert die erforderliche Energie für die Übertragung der rechteckförmigen Steuer­ impulse aus dem Elektronikteil. Parallel zu der Sekun­ därwicklung des Transformators 2 ist der Schalter 4 an­ geordnet. Der Transformator 2 oder Signalübertrager überträgt die Steuerimpulse aus dem Elektronikteil di­ rekt auf die Leistungsendstufe 3. Wenn also eine Taktung aus dem Elektronikteil ansteht, wird die Endstufe ange­ steuert. Ein Rückmeldesignal aus der Leistungsendstufe 3 (Strom zu hoch, Leitungsunterbrechung, Kurzschluß usw.) wird als Störgröße auf den Schalter 4 geführt. Dieser Schalter 4 ist in der Praxis vorwiegend ein elektroni­ sches Bauteil (Feldeffekttransistor oder dergl.) und schaltet die Sekundärwicklung des Transformators kurz.

Dieses Signal der kurzgeschlossenen Sekundärwicklung wird auf die Primärwicklung übertragen. Es fließt durch die Primärwicklung ein sehr hoher Strom, so daß der Ver­ stärker 9 in die Strombegrenzung geht und die Spannung am Ausgang des Verstärkers 9 zusammenbricht. Dieser Spannungsausfall wird durch die beiden Komparatoren 5 und 6 erfaßt und ausgewertet. Am Ausgang der Komparato­ ren entstehen so 0- oder 1-Signale, die auf das nachge­ schaltete logische Verknüpfungsglied 7 (UND-Gatter) geführt werden.

Ein nachgeschaltetes digitales Filter 8 (Schieberegi­ ster) säubert die anstehenden Signale von eventuellen Störgrößen, die beispielsweise von der Leistungsendstufe 3 durch kurzfristige Potentialsprünge entstehen können. Dieses Potentialspringen wirkt wie ein Kurzschluß und wird durch den Transformator auch auf die primärseitige Elektronik übertragen.

Die am Ausgang des digitalen Filters 8 anstehenden Rück­ setzsignale sind von Störungen befreit und bestehen aus Impulsen kostanter Länge, so daß sie zur Steuerung bzw. Beeinflußung des Elektronikteils 1 einsetzbar sind.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zur potentialfreien Signal­ übertragung bei stark schwankenden Potentialverhältnissen von einem Elektronikteil mittels eines Übertragungsglie­ des auf eine Leistungsendstufe, dadurch gekennzeichnet,
daß das Übertragungsglied aus einem Transformator (2) besteht,
daß eine Reihenschaltung aus der Primärwicklung des Transformators (2) und einem Verstärker (9) an das Elek­ tronikteil (1) angeschaltet ist,
daß die Sekundärwicklung des Transformators (2) mit ei­ nem parallel angeordneten Schalter (4) auf die Lei­ stungsendstufe (3) gelegt ist,
daß ein Rückmeldesignal aus der Leistungsendstufe (3) den Schalter (4) ansteuert und die Sekundärwicklung kurzschließt und
daß eine Auswertung des Rückmeldesignals derart erfolgt, daß parallel zu dem Verstärker (9) Komparatoren (5,6) angeordnet sind, die ein Verknüpfungsglied (7) ansteu­ ern, so daß ein nachgeschaltetes Filter (8) ein Signal für die Rücksetzung des Elektronikteils (1) bildet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter (4) ein Feldeffekttran­ sistor einsetzbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als nachgeschaltetes Filter (8) ein Schieberegister Anwendung findet.