DE3614832A1 - Galvanisch trennende signaluebertragungsschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Signalübertragungsschaltung, mit der aus digitalen Eingangssignalen von diesen über eine Signalkopplungseinrichtung galvanisch getrennte Ausgangssignale erzeugt werden.

Bekannte Schaltungen zur galvanisch getrennten Signalüber­ tragung verwenden bisher als Trenneinrichtungen Opto­ koppler oder Übertrager, die in der Meß- und Regeltechnik, insbesondere für galvanisch getrennte analoge Ausgangs­ stufen in digitalen Rechnern, bei allgemeinen Steuerungen, Reglern, Meßumformern und dgl. eingesetzt werden. Die galvanische Signaltrennung wurde dabei über eine Spannungs/Frequenz- und eine Frequenz/Spannungswandlung erzeugt. Der Nachteil dieser Art der galvanischen Signal­ trennung bzw. Signalübertragung liegt darin, daß einer­ seits die Übertragungsfrequenz durch den Optokoppler begrenzt ist und andererseits die Übertragungsgenauigkeit von dem selektierten und gepaarten Spannungs/Frequenz- Verhalten abhängig ist. Die Spannungsfestigkeit der galvanischen Trennung ist vom verwendeten Optokoppler abhängig. Zwar zeigen die heute verfügbaren Optokoppler ein hinreichend schnelles Schaltverhalten und weisen teilweise einen internen Schirm auf, sie sind jedoch für eine sogenannte eigensichere Trennung nur dann zugelassen, wenn der interne Abstand der Eingangs- und Ausgangs­ elemente im Optokoppler mehr als 4 mm beträgt und diese Eigenschaft von der PTB (Physikalisch-Technische- Bundesanstalt) bescheinigt ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine galvanisch trennende Signalübertragungsschaltung zu schaffen, die eine höhere Spannungsfestigkeit als die bisher verwendeten Schaltungen aufweist, die unabhängig von der Selektion bestimmter Schaltkreise und weitgehend unabhängig von Übertragungsfrequenzgrenzen ist, die eine hohe Langzeit­ stabilität und eine hohe Temperaturfestigkeit aufweist und die darüber hinaus kostengünstig hergestellt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Signalübertragungs­ schaltung der eingangs genannten Art dadurch, daß die Signalkopplungseinrichtung aus einer Eingangsspule und einer mit der Eingangsspule über deren Streufeld gekoppelten Ausgangsspule sowie einem parallel zu den Klemmen der Ausgangsspule geschalteten Dämpfungswiderstand besteht, wobei durch geeignete Wahl des Abstandes beider Spulen voneinander die Kopplung schwach gehalten wird.

Der Vorteil dieser Signalübertragungsschaltung besteht darin, daß grundsätzlich lediglich zwei Spulen derart zueinander angeordnet werden müssen, daß die Ausgangsspule durch das bei der Signaländerung auftretende Streufeld der Eingangsspule nach Art eines Übertragers beaufschlagt wird. Durch den parallel zu den Klemmen der Ausgangsspule geschalteten Dämpfungswiderstand wird bewirkt, daß bei dieser Übertragung nur die steilen Flanken eines auf die Eingangsspule gegebenen Rechteckimpulses an den Klemmen der Ausgangsspule anliegen, und zwar in Form eines positiven Nadelimpulses und in Form eines negativen Nadel­ impulses, hervorgerufen durch die negative Flanke des eingangsseitigen digitalen Rechteckimpulses. Die Dämpfung durch den Dämpfungswiderstand ist so bemessen, daß die Amplitude des ersten Impulses der Impulsfolge an der Ausgangsspule wesentlich größer ist als die Amplitude der zweiten und nachfolgenden Impulse dieser Impulsfolge.

Die bewußt gering gehaltene bzw. gering eingestellte Kopplung zwischen der Eingangsspule und der Ausgangsspule wird für die selektive Übertragung ausgenutzt. Demzufolge hat eine Langzeitionisation oder eine starke Netzfrequenz­ überlagerung zwischen den beiden gebildeten Kreisen keinen Einfluß auf die Trennung oder die Betriebssicherheit und die Genauigkeit der Signalübertragung.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Signalüber­ tragungsschaltung ist die Ausgangsspule mit ihrer einen Klemme mit dem positiven Eingang eines ersten Komparators und mit dem negativen Eingang eines zweiten Komparators verbunden, wobei die jeweiligen Ausgänge der Komparatoren mit den Eingängen einen bistabilen Multivibrators (RS-Flipflops) verbunden sind. Der jeweilige andere negative Eingang des ersten Komparators und der andere positive Eingang des zweiten Komparators sind dabei durch eine Spannungsteilerschaltung derart eingestellt, daß an den Ausgängen der Komparatoren zu bestimmten Schaltpunktzeiten des Erscheinens des positiven und negativen Nadelimpulses an der Ausgangsspule jeweils ein Setz- und ein Rücksetzsignal erzeugt wird, mit dem der bistabile Multivibrator angesteuert wird. Am Ausgang erscheint demzufolge wieder ein galvanisch vom Eingangs­ signal getrenntes Ausgangssignal mit gleicher Periode und gleichem Einschaltverhältnis. Derartige Signalüber­ tragungen werden auch ED- bzw. Einschaltdauerübertragungen genannt.

Eine andere vereinfachte Ausführungsform der Signalüber­ tragungsschaltung nach der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausgangsspule mit ihrer einen Klemme mit dem negativen Eingang eines einzigen Komparators mit Hysterese und mit ihrer anderen Klemme mit Nullpotential verbunden ist, daß der positive Eingang des Komparators über einen ersten Widerstand mit Nullpotential und über einen zweiten Widerstand mit dem Ausgang des Komparators, an dem ein dem Eingangssignal entsprechendes Ausgangs­ signal erscheint, verbunden ist und daß der Ausgang des Komparators über einen dritten Widerstand mit einer positiven Versorgungsspannung verbunden ist, wobei die Widerstände die Hysterese des Komparators bestimmen.

Eine einfach ausgebildete und kostengünstig herstellbare Signalübertragungsschaltung ergibt sich vorteilhafterweise dadurch, daß die Eingangsspule und die Ausgangsspule aus im wesentlichen parallel zueinander liegenden Drossel­ spulen bestehen, die modulartig zusammengefaßt sind. Als Drosselspulen könnten dafür im Handel erhältliche Entstör­ drosseln verwendet werden, die zudem noch extrem kosten­ günstig sind. Das Modul selbst kann dabei aus zwei zueinander benachbarten, durch ein Gießharz miteinander verbundenen parallel liegenden Drosselspulen oder ähnlichen geeigneten Spulen gebildet sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist sowohl die Eingangsspule als auch die Ausgangsspule in Form eines Moduls gesondert ausgebildet, die zur Bildung der Signalkopplungseinrichtung im wesent­ lichen parallel zueinander ansetzbar sind. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, daß in geeigneten Abständen auf Leiterplatten diese Spulen nebeneinander auf der Leiterplatte angeordnet werden.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, beide Module derart auszubilden, daß sie nach Art einer Steckverbindung zur Bildung der Kopplung aneinandersetzbar sind, wobei es hierbei denkbar ist, das durch die Eingangsspule im wesentlichen gebildete erste Modul auf einer Baugruppe, beispielsweise auf einer Leiterplatte anzuordnen, und das im wesentlichen durch die Ausgangsspule gebildete zweite Modul auf einer anderen Baugruppe, beispielsweise eben­ falls auf einer Leiterplatte anzuordnen, und beide Bau­ gruppen dann über die Module steckverbindungsartig miteinander zu verbinden. Diese Art der Ausbildung hätte zudem den Vorteil, daß für Prüf- und Wartungsarbeiten einfach die galvanisch getrennte Kopplung zwischen zwei Baugruppen getrennt zu werden braucht, womit eine schnelle Überprüfung einzelner Baugruppen ohne Beeinflussung durch andere schnell und kostengünstig möglich ist.

Schließlich kann es vorteilhaft sein, die Eingangsspule und die Ausgangsspule aus jeweils auf den beiden Seiten einer Leiterplatte spulenartig ausgebildeten Leiterbahnen herzustellen, wodurch eine extrem kostengünstige aber sehr wirksame galvanische Trennung nach dem erfindungsgemäßen Prinzip erreicht wird. Bei dieser Ausführungsform ent­ stehen für die Herstellung der eigentlichen Signal­ kopplungseinrichtung überhaupt keine Kosten, da bei der Herstellung der Leiterplatte für die übrigen Schalt­ elemente die Eingangs- und die Ausgangsspulen der Signal­ kopplungseinrichtung in einem Arbeitsgang mit den übrigen Leiterbahnen geätzt werden können.

Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer galvanisch trennenden Signal­ übertragungsschaltung mit nachgeschalteten Komparatoren sowie einem damit verbundenen bistabilen Multivibrator,

Fig. 2 eine an der Eingangsspule liegende digitale Signal­ folge (a), eine an der Ausgangsspule liegende ungedämpfte Signalfolge (b) und eine an der Ausgangsspule liegende Signalfolge aus positiven und negativen Nadelimpulsen (c), Fig. 3a eine an der Eingangsspule, an der Ausgangsspule und am Ausgang des bistabilen Multivibrators liegende Signalfolge,

Fig. 3b eine Darstellung der Verzögerung des am bistabilen Multivibrators liegenden Ausgangssignals gegen­ über dem an der Eingangsspule liegenden Eingangssignal,

Fig. 4 ein Schaltbild einer galvanischen trennenden Signalübertragungsschaltung mit einem nachgeschalteten Komparator mit Hysterese,

Fig. 5a eine an der Eingangsspule, an der Ausgangsspule und am Ausgang des Komparators liegende Signalfolge und

Fig. 5b eine Darstellung der Schaltpunkte und der Verzögerung am Ausgangssignal gegenüber dem Eingangs­ signal.

Die Signalübertragungsschaltung besteht im wesentlichen aus einer Signalkopplungseinrichtung 10, die in der Darstellung von Fig. 1 durch eine strichpunktierte Linie schematisch umgrenzt ist. Die Signalübertragungs­ einrichtung 10 besteht im wesentlichen aus einer Eingangs­ spule 11 und einer Ausgangsspule 12. Die eigentliche galvanische Trennung der Signalübertragungsschaltung ist eine Art induktiver Kopplung.

Die Eingangsspule 11 weist Klemmen 13, 14 auf, die in Reihe mit einem Kollektorwiderstand eines Schalttransis­ tors 21 geschaltet ist. Ein digitales Eingangssignal U ₁ liegt zwischen der Basis und dem Emitter des Transis­ tors 21 an. Es sei angemerkt, daß diese Eingangsschaltung nur beispielhaft angegeben ist, es können beliebige andere Eingangs- bzw. Ansteuerschaltungen für die hier beschriebene Signalübertragungsschaltung vorgesehen sein.

Parallel zu den Klemmen 15, 16 der Ausgangsspule 12 ist ein Dämpfungswiderstand 17 geschaltet, der die an der Ausgangsspule 12 entstehende gedämpfte Schwingung bei positiver und negativer Signaländerung an der Eingangs­ spule 11 derart dämpft, daß aus der positiven Flanke des Eingangssignals U ₁ und aus der negativen Flanke des Eingangssignals U ₁ jeweils nur ein positiver Nadel­ impuls 24 bzw. ein negativer Nadelimpuls 25 übrig bleibt, während die infolge der Eingangssignaländerung auftreten­ den weiteren, immer stärker abgedämpften Schwingamplituden auf hier nicht mehr relevante Werte gedämpft werden.

Die eine Klemme 15 der Ausgangsimpulse 12 ist mit dem positiven Eingang eines ersten Komparators 18 und dem negativen Eingang eines zweiten Komparators 19 verbunden, während die andere Klemme 16 der Ausgangsspule 12 über einen Spannungsteiler 22 auf einen vorbestimmten Spannungspegel eingestellt ist. Der negative Eingang des ersten Komparators 18 und der positive Eingang des zweiten Komparators 19 sind ebenfalls über eine Spannungsteiler­ schaltung 23 auf bestimmte Spannungspegel eingestellt. Der Ausgang des ersten Komparators 18 ist mit dem Setz­ eingang S eines bistabilen Multivibrators 20 verbunden, während der Ausgang des zweiten Komparators 19 mit dem Rücksetzeingang R des bistabilen Multivibrators 20 verbunden ist. Der Ausgang Q von 20, an dem die Ausgangs­ spannung U ₃ anliegt, ist mit hier nicht näher bezeichneten Wandlerschaltungen verbunden.

Es sei angemerkt, daß die nachgeschaltete bistabile Stufe entsprechend den Darstellungen von Fig. 4 und 5 auch nur ein Komparator 30 mit Hysterese sein kann, dessen Hysterese bzw. bistabiles Verhalten durch Widerstände 31, 32 und 33 bestimmt wird. Aufgrund der gegenüber der ersten beschriebenen Schaltung ansonsten gleichen Funktion braucht die Schaltung mit nur einem Komparator 30 hier nicht gesondert beschrieben zu werden.

Während des Betriebes wird der Eingangsspule 11 der Signalübertragungsschaltung ein digitales Eingangssignal U ₁, in Fig. 1 über den Transistor 21, in Fig. 4 über einen Schmitt-Trigger 34, zugeführt. In der im wesentlichen räumlich parallel zur Eingangsspule 11 angeordneten Ausgangsspule 12 wird durch induktive Kopplung ein Signal entsprechend der Darstellung von Fig. 2b erzeugt, und zwar jeweils an der positiven und negativen Flanke des Eingangssignals U ₁ entsprechend der Darstellung von Fig. 2a. Durch geeignete Einstellung des Dämpfungswider­ standes 17, wird die Schwingungsfolge an der Ausgangs­ spule 12 derart gedämpft, daß lediglich die erste Amplitude der jeweiligen Schwingungsfolge der Darstellung von Fig. 2b in Form eines positiven bzw. negativen Nadel­ impulses 24 bzw. 25 erhalten bleibt. Der Abstand zweier positiver bzw. zweier negativer Nadelimpulse 24, 25 ent­ spricht dabei der Periodendauer t ₀ gemäß der Darstellung von Fig. 3a bzw. 5a.

Der positive Nadelimpuls 24 erzeugt am ersten Kompara­ tor 18 an seinem Ausgang einen Setzimpuls, wenn die davor eingestellte positive Schaltschwelle 26 des Eingangs des ersten Komparators 18 erreicht ist. Dementsprechend erzeugt der zweite Komparator 19 an seinem Ausgang einen Rücksetzimpuls, wenn eine vorbestimmte negative Schalt­ schwelle 27 an diesem erreicht ist. Die jeweiligen Setz­ und Rücksetzimpulse beider Komparatoren 18, 19 erzeugen am Ausgang des bistabilen Multivibrators 20 eine Ausgangs­ spannung U ₃, die demzufolge die gleiche Periode t ₀ wie die Eingangsspannung U ₁ aufweist mit einer gleichen Einschalt­ zeit t _x wie diese.

Aus dem Eingangssignal U ₁ ist somit ein Ausgangssignal U ₃ erzeugt worden, das ein vollständig identisches Rechteck­ verhalten zum Eingangssignal U ₁ hat. Für die Meßgenauig­ keit ist die absolute Laufzeit des Signals in der Schaltung unwesentlich, denn nur die Differenz von Einschaltzeit t _E und Ausschaltzeit t _A geht in das Schaltverhalten ein.

Bei einer Einschaltzeit von 0,3 µsec und einer Ausschalt­ zeit von 0,5 µsec und einer gemessenen Bandbreite von 0 bis 2 MHz wird folgender Fehler erhalten:

Fehler= (t _e - t _a )/t _o = 100* (0,3 - 0,5 µsec)/10 000 µsec = - 0,002% bei 100 ED-Übertragungen je Sekunde = -0,001% bei  50 ED-Übertragungen je Sekunde (Dreieck)

(ED-Übertragung = Einschaltdauerübertragung)

Mittels der vorgeschlagenen Signalübertragungseinrichtung wird demzufolge eine hochwertige galvanisch getrennte Signalübertragung mit einfachen und preiswerten Standard­ bauelementen erreicht, wobei die Toleranzen der Bau­ elemente auf die Übertragungsgenauigkeit nahezu keinen Einfluß ausüben. Auch die statische und dynamische Spannungsfestigkeit zwischen der Eingangsspule 11 und der Ausgangsspule 12 ist hoch und unterliegt keiner Alterung, wobei ein gemessener Wert größer als 5 kV lag.

Die Eingangsspule 11 und die Ausgangsspule 12 können in Form eines miteinander vergossenen Moduls hergestellt und eingesetzt werden; es ist jedoch auch denkbar, die Eingangsspule 11 und die Ausgangsspule 12 separat in modulartiger Form zu vergießen und dann zum Zwecke der Ausbildung der Signalkopplungseinrichtung 10 auf einer Leiterplatte nebeneinanderliegend anzuordnen. Da der Anwender zur Festlegung eines bestimmten Kopplungsgrades zwischen beiden Spulen 11, 12 eine große Variationsbreite hat, können die Spulen auch aus im Handel erhältliche Drosselspulen bestehen, die in geeignetem Abstand voneinander angeordnet werden. Darüber hinaus ist es auch denkbar, sowohl die Eingangsspule 11 als auch die Ausgangsspule 12 in Form einer Steckverbindung aus­ zubilden, so daß bei Anordnung jeweils einer dieser Spulen in einer anderen Baugruppe diese zwecks Ausbildung der galvanisch getrennten Verbindung einfach aneinander gesteckt und bei Bedarf wieder voneinander gelöst werden können. Auch ist es möglich, sowohl die Eingangsspule 11 als auch die Ausgangsspule 12 auf unterschiedlichen Seiten einer Leiterplatte anzuordnen, wobei die Kopplung unter­ einander gegebenenfalls noch durch einen separaten Ferritkern verstärkt wird.

Claims (8)

1. Signalübertragungsschaltung, mit der aus digitalen Eingangssignalen von diesen über eine Signalkopplungs­ einrichtung galvanisch getrennte Ausgangssignale erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalkopplungsein­ richtung (10) aus einer Eingangsspule (11) und einer mit der Eingangsspule (11) über deren Streufeld gekoppelten Ausgangsspule (12) sowie einem parallel zu den Klemmen (15, 16) der Ausgangsspule (12) geschalteten Dämpfungs­ widerstand (17) besteht, wobei durch geeignete Wahl des Abstandes beider Spulen (11, 12) voneinander die Kopplung schwach gehalten wird.

2. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungswiderstand (17) derart bemessen ist, daß aus der positiven und negativen Flanke des digitalen Eingangssignals jeweils ein positiver und ein negativer Nadelimpuls (21, 22) an den Klemmen (15, 16) der Ausgangsspule (12) entsteht.

3. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspule (12) mit ihrer einen Klemme (15) mit dem positiven Eingang eines ersten Komparators (18) und dem negativen Eingang eines zweiten Komparators (19) verbunden ist, wobei die jeweiligen Ausgänge der Komparatoren (18, 19) mit den Eingängen eines bistabilen Multivibrators (RS-Flipflop) (20) verbunden sind.

4. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspule (12) mit ihrer einen Klemme (15) mit dem negativen Eingang eines einzigen Komparators (30) mit Hysterese und mit ihrer anderen Klemme (16) mit Nullpotential verbunden ist, daß der positive Eingang des Komparators (30) über einen ersten Widerstand (31) mit Nullpotential und über einen zweiten Widerstand (32) mit dem Ausgang des Kompara­ tors (30), an dem ein dem Eingangssignal entsprechendes Ausgangssignal erscheint, verbunden ist und daß der Ausgang des Komparators (30) über einen dritten Wider­ stand (33) mit einer positiven Versorgungsspannung verbunden ist, wobei die Widerstände (31, 32, 33) die Hysterese des Komparators (30) bestimmen.

5. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspule (11) und die Ausgangsspule (12) aus im wesentlichen parallel zueinander liegenden Drosselspulen bestehen, die modulartig zusammen­ gefaßt sind.

6. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Eingangsspule (11) als auch die Ausgangsspule (12) in Form eines zur Bildung der Signalkopplungseinrichtung im wesentlichen parallel zueinander ansetzbaren Moduls aufgebaut sind.

7. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Module steckverbinder­ artig zur Bildung der Kopplung aneinandersetzbar sind.

8. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspule (11) und die Ausgangsspule (12) aus jeweils auf den beiden Seiten einer Leiterplatte spulenartig ausgebildeten Leiterbahnen bestehen.