DE3828272A1 - Anordnung zum uebertragen von daten und einer versorgungsspannung ueber eine busleitung - Google Patents

Description

In der DE-PS 21 13 931 ist eine Anordnung beschrieben, in der mehrere Empfänger mit einer Zentraleinheit über je eine Zwei­ drahtleitung verbunden sind, über die Impulse und die Versor­ gungsspannung für den jeweiligen Empfänger übertragen werden. Die Impulse werden mittels Differentialübertrager in die Lei­ tungen eingespeist und aus diesen entnommen. Die Differential­ wicklungen der Übertrager sind wechselstrommäßig mittels eines Kondensators in Reihe geschaltet. Zur Stromversorgung der Emp­ fänger dient ein Transformator, der je Empfänger eine Sekundär­ wicklung und einen an diese angeschlossenen Gleichrichter auf­ weist. Die Gleichspannungen werden an den die Differential­ wicklungen verbindenden Kondensatoren angelegt und in den Emp­ fängern an den entsprechenden, mit den Differentialwicklungen verbundenen Kondensatoren abgenommen. Die bekannte Anordnung ist bei galvanischer Trennung von Sender und Empfänger nur für einen sternförmigen Anschluß der Empfänger an die Zentralein­ heit geeignet, nicht dagegen für eine alle Empfänger und die Zentrale verbindende Busleitung.

In der E-PS 01 34 174 ist ein Bussystem beschrieben, bei dem die die Informationen enthaltenden Impulse eine als Versor­ gungsspannung dienende Gleichspannung modulieren. Eine galva­ nische Trennung zwischen den Teilnehmern des Bussystems ist nicht vorgesehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, deren Geräte an eine Busleitung galvanisch getrennt angeschlossen sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die neue Anordnung wird mit besonderem Vorteil in der Verfah­ rens- und Prozeßtechnik eingesetzt, wenn räumlich voneinander entfernt liegende Feldgeräte eigensicher und explosionsge­ schützt mit geringem Aufwand an eine entfernte Zentrale ange­ schlossen werden sollen.

Anhand der Zeichnung werden im folgenden die Erfindung sowie deren Ausgestaltungen und Ergänzungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 3 Schaltbilder von Ausführungsbeispielen der Erfindung,

Fig. 2 Einzelheiten des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1.

In Fig. 1 sind mit BL 1, BL 2 die beiden Adern einer zweiadrigen Busleitung bezeichnet, an die mehrere Geräte, z. B. digital arbeitende Sensoren und Aktoren, angeschlossen sind. Zu und von diesen sollen digitale Meß- und Stellsignale sowie weitere Daten, wie Status- und Fehlermeldungen, Parameter und so fort übertragen werden. Die Busleitung dient nicht nur zur Übertra­ gung von Informationen, sondern auch zur Spannungsversorgung der Geräte. Da die Busleitung galvanisch von den Geräten und selbstverständlich auch die Geräte untereinander galvanisch getrennt sein sollen, enthält jedes Gerät einen Übertrager U 1, U 2, . . . Un zum Ein- und Auskoppeln von Informationssignalen in die bzw. aus der Busleitung. Die Übertrager weisen je drei Wicklungen W 11, W 12, W 13; W 21, W 22, W 23 . . . Wn 1, Wn 2, Wn 3 auf. Die beiden an die Busleitungen angeschlossenen Wicklungen sind wechselstrommäßig mit Kondensatoren C 11, C 12, C 21, C 22 . . . Cn 1, Cn 2 in Reihe geschaltet. An die dritten Wicklungen W 13, W 23 . . . Wn 3 sind die Sende- und Empfangseinrichtungen angeschlos­ sen.

Die Geräte werden von einer Stromversorgungseinheit SV über die Busleitung BL 1, BL 2 mit Energie versorgt. Da im Ausführungsbei­ spiel auch die Stromversorgungseinheit SV galvanisch von der Busleitung getrennt sein soll, enthält sie einen Netztransfor­ mator, dessen gleichgerichtete Ausgangsspannung mittels eines Kondensators C 0 gesiebt über Spulen Sp 1, SP 2 in die Busleitung BL 1, BL 2 eingespeist wird. Die Geräte ST 1, ST 2 . . . STn enthal­ ten Gleichspannungswandler SW 1, SW 2 . . . SWn, die an die Reihen­ schaltung der Kondensatoren Ci 1, Ci 2 angeschlossen sind und von der Busleitung BL 1, BL 2 die Versorgungsspannung über die Wick­ lungen Wi 1, Wi 2 erhalten. Die Übertragerwicklungen und die Kondensatoren wirken für die Versorgungsspannung als Siebglie­ der.

Zweckmäßig ist die Stromversorgungseinheit nicht gesondert an die Busleitung angeschlossen, sondern sie ist Bestandteil eines Gerätes, z. B. einer Zentraleinheit, und ist in diesem wie die Spannungswandler SW 1, SW 2 . . . SWn an die Kondensatoren Ci 1, Ci 2 angeschlossen. Die Funktion der Spulen SP 1, SP 2 und des Kondensators C 0 wird dann von den in dem Gerät ohnedies vorhandenen Übertragerwicklungen und Kondensatoren übernommen.

Einzelheiten einer vorteilhaften Anschaltung der Geräte, ins­ besondere der Spannungswandler an die Busleitung, zeigt das Schaltbild nach Fig. 2. Mit BL 1, BL 2 sind wieder die beiden Adern der Busleitung bezeichnet, auf denen die Informations­ signale gegenphasig übertragen werden. Auf der Busleitung BL 1 liegt ferner eine positive Versorgungsspannung V+, auf der Busleitung BL 2 eine negative V-. Eine Reihenschaltung aus zwei Übertragerwicklungen L 1, L 2 mit gleicher Windungszahl und zwei Kondensatoren C 1, C 2 mit gleicher Kapazität liegt zwischen den Adern BL 1, BL 2. An einer dritten Wicklung L 3 des Übertragers liegen ein Empfangsverstärker V 1, der ein Differenzverstärker ist, und ein Sendeverstärker V 2 als Leitungstreiber, der gegenphasige Signale in die Wicklung L 3 speist.

Befindet sich das Gerät am Ende der Busleitung, wie z. B. das Gerät STn in der Anordnung nach Fig. 1, wird zweckmäßig an die Wicklung L 3 ein Widerstand Z _L angeschlossen, der, unter Berück­ sichtigung des Untersetzungsverhältnisses des Übertragers, so bemessen ist, daß die Busleitung mit dem Wellenwiderstand ab­ geschlossen ist. Eine solche Anordnung hat gegenüber einem un­ mittelbaren Abschluß der Busleitung mit einem Widerstand den Vorteil, daß kein Versorgungsstrom zusätzlich verbraucht wird. Wenn das Übersetzungsverhältnis zwischen der Wicklung L 3 und den Wicklungen L 1, L 2 größer als Eins ist, wird der Wellen­ widerstand im Verhältnis des Quadrats des Übersetzungsverhält­ nisses transformiert. Dadurch wird der ohmsche Widerstand Z _L größer als der Wellenwiderstand und belastet daher den Lei­ tungstreiber V 2 entsprechend gering. Auch hierdurch wird eine Energieeinsparung erreicht. Ferner können für alle Leitungs­ treiber, unabhängig, ob die zugehörigen Geräte den Abschluß der Busleitung bilden oder nicht, gleiche Leitungstreiber verwendet werden.

Ein Gleichspannungswandler SW liefert eine von der Busleitung galvanisch getrennte Versorgungsspannung für das Gerät. Hierzu eignet sich z. B. ein Spannungswandler, der die Eingangsspan­ nung mit unterschiedlicher Polung abwechselnd auf die Primär­ wicklung eines Übertragers schaltet, an dessen Sekundärwicklung ein Gleichrichter mit einem nachgeschalteten Siebglied ange­ schlossen ist. Im allgemeinen erfordern solche Gleichspannungs­ wandler einen großen Energiespeicher, der im Ausführungsbeispiel von einem Kondensator C 3 gebildet ist, der mit Drosseln L 2, L 3, denen Freilaufdioden D 3, D 4 parallelgeschaltet sind, zu einem Filter ergänzt ist. Damit sich der Kondensator C 3 nicht im Falle eines Spannungsabfalls auf der Busleitung, z. B. während der Impulse, oder im Falle eines Kurzschlusses entladen kann, sind in seine Zuleitungen Dioden D 2, D 3 geschaltet. Spannungsspitzen, die an den Wicklungen L 1, L 2 bei einem plötzlichen Spannungs­ abfall auf der Busleitung auftreten können, werden von einer Diode D 1 von der Busleitung abgehalten. Wirksam bleibt dagegen die Serienschaltung der Kondensatoren C 1, C 2, deren Ladung aber im Falle eines Kurzschlusses auf der Busleitung wegen der Induktivität der Wicklungen L 1, L 2 nicht schlagartig in die Busleitung fließen kann.

Eine etwaige, in dem Gerät enthaltene Stromversorgungseinheit weist ein Netzteil NT mit einem Netztransformator auf, dessen Ausgangsstrom mittels eines Widerstandes R und dessen Ausgangs­ spannung mittels einer Zenerdiode Z begrenzt sind. Sollen zwecks einer Redundanz der Stromversorgung oder zur Vermeidung eines unzulässig großen Spannungsabfalls auf der Busleitung wegen deren ohmschen Widerstandes mehrere Stromversorgungsein­ heiten verwendet werden, ist dies möglich. Zur gegenseitigen Entkopplung ist jedoch je Stromversorgungseinheit eine Diode D 5 vorzusehen. Auch muß dafür gesorgt werden, daß der Gesamtstrom aller Stromversorgungseinheiten auch im Falle eines Kurzschlus­ ses auf der Busleitung den maximal zulässigen Wert nicht über­ steigt.

Die beschriebene Geräteanschaltung eignet sich für Bussysteme, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden. Wie schon beschrieben, sind in jeder Geräteanschaltung Maßnahmen getroffen, mit denen unzulässige Strom- und Spannungsspitzen unterdrückt werden. Nicht sichere Bauelemente an gefährdeten Stellen, wie z. B. die Dioden D 1, D 3, D 4, können doppelt ausge­ führt und andere Bauelemente, wie z. B. der Elektrolytkonden­ sator C 3, durch Verguß geschützt werden. Der Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung der Stromversorgungseinheit sind begrenzt.

Fig. 3 zeigt ein Busleitungssystem, dessen Busleitung aus einer zweiadrigen geschirmten Leitung BL 3 besteht. Die nicht bezeichneten Geräte enthalten wieder jeweils einen Signalüber­ trager, der mit zwei Wicklungen LO 1, LO 2; L 11, L 12; . . . Ln 1, Ln 2 an die Adern der Busleitung angeschlossen ist. Die Mittel­ anzapfungen dieser Wicklungen liegen kapazitiv am Schirm der Busleitung. Die Speisespannung wird in die Busleitung über die Wicklungen LO 1, LO 2 eingespeist, die Mitte der Speisespannung kann an den Schirm gelegt sein. Der Gleichstrom bewirkt keine Magnetisierung des Übertragerkerns, da die Wicklungen bifilar gewickelt sind. Für das Informationssignal aber, das gleich­ phasig auf die Adern gegeben wird, wirken sie wie ein Diffe­ renzübertrager. Diese Schaltung ist im Gegensatz zu der nach Fig. 1 auf die Schirmleitung oder einen anderen dritten Leiter angewiesen, arbeitet aber auch streng symmetrisch. Gleichtakt­ störungen wirken sich nicht aus. Die Schaltung eignet sich zum Übertragen von Signalen über größere Entfernungen in Stör­ feldern mit hoher Datenübertragungsrate. Für die Anschaltung der Spannungswandler der Geräte kann die Schaltung nach Fig. 2 verwendet werden. Die Hilfsenergieübertragung kann hier größer gewählt werden, da der Übertrager nicht in die Sättigung durch Vormagnetisierung kommt.

Claims (11)

1. Anordnung zum Übertragen von Daten zwischen mehreren Gerä­ ten und der Versorgungsspannung für die Geräte über eine Bus­ leitung, an welche die Geräte und die Versorgungsspannungs­ quelle angeschlossen sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Geräte (ST 1, ST 2 . . . STn) an die Busleitung (BL 1, BL 2) jeweils mittels eines Übertragers (U 1, U 2 . . . Un) angeschlossen sind, der zwei Wicklungen (Wi 1, Wi 2) gleicher Windungszahl aufweist, die mit ihren einen Anschlüssen mit der Busleitung (BL 1, BL 2) verbunden sind und zwischen deren anderen Anschlüssen eine Kapazität (Ci 1, Ci 2) liegt, an der die Versorgungsspannung abgenommen ist, daß an eine dritte Wicklung (Wi 3) Sende- und Empfangseinrichtungen (V 1, V 2) angeschlossen sind und daß die Versorgungsspannungsquelle über zwei induk­ tive Widerstände (SP 1, SP 2) an die Busleitung angeschlossen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Versorgungsspannungsquelle in einem Gerät enthalten ist und die Versorgungsspannung zwischen den Übertragerwicklungen (Wi 1, Wi 2) und der Kapazität (Ci 1, Ci 2) eingespeist ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kapazität aus der Reihen­ schaltung von zwei Kondensatoren (Ci 1, Ci 2) gleicher Kapazität besteht, deren Verbindung an ein Bezugspotential angeschlossen ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Übertragerwick­ lungen (Wi 1, Wi 2) so gepolt sind, daß der Versorgungsstrom die Übertragerkerne in gleicher Richtung magnetisiert.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungen (Li 1, Li 2) der Übertrager so gepolt sind, daß die durch den Versor­ gungsstrom hervorgerufenen Magnetisierungen sich gegenseitig aufheben und daß die Busleitung eine dritte Ader, insbesondere einen Schirm, aufweist, mit dem die Verbindungen der Kondensa­ toren verbunden sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung aus den beiden Übertragerwicklungen und der Kapazität eine bezüglich der Versorgungsspannung in Sperrichtung betriebene Diode (D 1) parallelgeschaltet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung über Dioden (D 2, D 3) abgenommen und einem als Energiespeicher dienenden Kondensator (C 3) zugeführt ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Versorgungsspannung über Siebdros­ seln (L 2, L 3) dem Kondensator (C 3) zugeführt ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Geräte (ST 1, ST 2 . . . STn) je einen galvanisch trennenden Gleichspannungswandler (SW 1, SW 2 . . . SWn) enthalten, dessen Eingang die Versorgungs­ spannung von der Busleitung zugeführt ist und aus dem das je­ weilige Gerät mit Strom versorgt ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an die dritte Wicklung (Wn 3) des den Anschluß der Busleitung bildenden Gerätes (STn) ein Abschlußwiderstand (Z _L ) angeschlossen ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Windungszahl der dritten Wicklung (Wn 3) größer als die Summe der Windungszahlen der beiden ande­ ren Wicklungen (Wn 1, Wn 2) ist.