DE3927518C2 - Schaltungsanordnung zur Umsetzung von auf Leitungen übertragenen Signalen in binäre Signale - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung von auf Leitungen übertragenen Signalen in davon galvanisch getrennte, binäre Signale, wobei die Leitungen an eine Wechselspannungsquelle und mindestens ein Schaltelement angeschlossen sind, dessen Schaltzuständen binäre Wertigkeiten zugeordnet sind.

Die Zustände von kontaktbestückten oder kontaktlosen Schaltelementen, die zu Bedienelementen Meß- oder Signalisierungsgeräten gehören, müssen häufig in größerer Entfernung von den Schaltelementen erfaßt und überwacht werden. Die Schaltelemente werden dann über längere Leitungen, insbesondere in Kabeln, mit den Erfassungs- beziehungsweise Überwachungseinrichtungen verbunden. Wegen der großen Längen und der sich hieraus ergebenden hohen Leitungsimpedanzen müssen die Leitungen mit den Schaltelementen an höhere Spannungen gelegt werden, damit an der Überwachungseinrichtung ausreichend hohe Spannungsunterschiede bei geschlossenem und offenem Schaltelement verfügbar sind. Bei großen Leitungslängen ergeben sich vielfach Isolationswiderstände in der Größenordnung von 470 KΩ. Weiterhin treten hohe Aderkapazitäten zum Beispiel von 0,1 µF auf.

Bekannt ist eine Schaltungsanordnung zur selbsttätigen Korrektur von Pegelschwankungen und Impulsverzerrungen in Wechselstrom-Zeichenempfängern, die einen Übertrager enthält, an den sekundärseitig die Reihenschaltung einer Diode und eines Kondensators angeschlossen ist. Zum Kondensator ist die Reihenschaltung zweier Widerstände parallel gelegt. Bei dieser Anordnung wirkt eine große Adernkapazität wie ein am einen Ende angeordneter geschlossener Schalter, so daß bei großen Adernkapazitäten ein zu geringer Störabstand der Spannung im Falle eines offenen und geschlossenen Schalters vorhanden ist (DE-AS 19 56 734).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Anordnung zur Umsetzung von auf die Leitungen übertragenen Signalen in galvanisch davon getrennte, binäre Informationssignale zu entwickeln, die für große Leitungslängen mit entsprechend kleinen Isolationswiderständen (470 K) und großen Adernkapazitäten (0,1 µF) bei hohen Signalpegeln geeignet ist, kleine Bauteilabmessungen und geringe Verlustleistungen hat.

Die Aufgabe wird mittels einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an die dem Schaltelement abgewandten Enden der Leitungen die Reihenschaltung einer Wechselspannungsquelle und eines hochohmigen Übertragers angeschlossen ist, zu dem ein Kondensator parallel gelegt ist, daß an die Sekundärseite des Übertragers ein Gleichrichter und ein Schwellenwertdiskriminator angeschlossen ist und daß die Kapazität des Kondensators auf die Kapazität der Leitungen derart abgeschirmt ist, daß bei offenem Schaltelement am Kondensator eine geringe Spannung ansteht, die über den Übertrager einen Strom treibt, der den Schwellwertdiskriminator nicht zum Ansprechen bringt. Für die Überwachung des jeweiligen Schaltelements kann bei dieser Anordnung die Netzspannung von zum Beispiel 220 V verwendet werden, die auch bei größeren Leitungslängen ausreichend hoch ist. Der Kondensator bildet mit der Kapazität der Leitungen zum Schaltelement eine Reihenschaltung von Kapazitäten, an denen jeweils ein von der Größe der Kapazität abhängiger Spannungsabfall auftritt. Die Kapazität des Kondensators wird so an die Leitungskapazität angepaßt, daß bei offenem Schaltelement der Spannungsabfall am Kondensator gering ist. Dann fließt über den hochohmigen Übertrager bei offenem Schaltelement ein sehr geringer Strom, der dem sekundärseitigen Schwellenwertdiskriminator nicht zum Ansprechen bringt. Ist das Schaltelement geschlossen, dann fällt nahezu die gesamte Netzspannung am hochohmigen Übertrager ab, wodurch ein höherer Strom im Übertrager fließt. Dieser Strom bewirkt das Ansprechen des sekundärseitigen Schwellenwertdiskriminators.

Weiterhin wird die Aufgabe mittels einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an die dem Schaltelement abgewandten Enden der Leitungen die Reihenschaltung einer Wechselspannungsquelle, einer Diode und eines Widerstands angeschlossen ist, zu dem ein Optokoppler parallel geschaltet ist, der ausgangsseitig mit einem Schwellenwertdiskriminator verbunden ist, und daß der Wert des Widerstands auf den Isolationswiderstand der Leitungen derart abgestimmt ist, daß bei offenem Schaltelement eine Spannung ansteht, die für die Lichtemission zu gering ist. Als Spannungsquelle kann bei dieser Anordnung ebenfalls die Netzspannung verwendet werden, die in Anlagen und Gebäuden im allgemeinen verfügbar ist. Durch die Diode wird die Adernkapazität aufgeladen. Es fließt ein Gleichstrom bei geöffnetem Schaltelement durch den Isolationswiderstand und den Widerstand, dessen Größe so auf den Isolationswiderstand abgestimmt ist, daß bei offenem Schaltelement der Spannungsabfall zu gering ist, um über den Optokoppler einen für die Lichtemission ausreichenden Strom zu treiben. Vorzugsweise ist in Reihe mit dem Optokoppler eine Zener-Diode angeordnet. Durch diese Zener- Diode wird sichergestellt, daß bei offenem Schaltelement der Optokoppler aufgrund des die Zener-Spannung unterschreitenden Spannungsabfalls am Widerstand stromlos bleibt. Wird das Schaltelement geschlossen, dann steigt der Spannungsabfall am Widerstand so stark an, daß über den Optokoppler ein Strom fließt, der eine Lichtemission hervorruft.

Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip besteht also darin, durch eine an die Adernimpedanz angepaßte, an die Leitungsenden in Reihe mit einer Wechselspannungsquelle gelegte Impdedanz an dieser bei offenem Schaltelement einen geringen und bei geschlossenem Schaltelement einen hohen Spannungsabfall zu erzeugen, der jeweils ein zu der Impedanz in einem Parallelkreis angeordnetes Übertragungselement mit nachgeschaltetem Auswertkreis so speist, daß die Ausgangssignale des Auswertkreises bei den verschiedenen Zuständen des Schaltelements verschiedene binäre Werte haben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist in Reihe mit dem Übertrager ein Widerstand angeordnet, mit dem der bei geschlossenem Schaltelement im Kreis fließende Strom auf einen Wert begrenzt werden kann, der für eine Signaldetektierung im Sekundärkreis ausreicht. An die Sekundärseite des Übertragers ist zweckmäßigerweise ein Doppelweggleichrichter angeschlossen, an den der Schwellenwertdiskriminator angeschlossen ist. Zur Anpassung der Schaltung an verschiedene Wechselspannungen, deren Höhen sich wesentlich voneinander unterscheiden, zum Beispiel 220 V und 110 V, ist zwischen dem Ausgang des Doppelweggleichrichters und dem Schwellenwertdiskriminator eine überbrückbare Zener-Diode angeordnet.

Eine andere günstige Ausführungsform besteht darin, daß parallel zur Lumineszenzdiode des Optokopplers ein Kondensator und eine Diode angeordnet sind, um Störspannungen zu dämpfen. Es kann vorteilhaft sein, den Schaltzustand des Schaltelements optisch anzuzeigen. In diesem Fall wird eine Lumineszenzdiode vorzugsweise in Reihe mit der Lumineszenzdiode des Optokopplers gelegt. Der Kondensator wird dann parallel zu der Reihenschaltung bei der Lumineszenzdiode angeordnet, um beide Bauelemente vor Störspannungen zu schützen. Zur Anpassung der Schaltung an verschiedene Wechselspannungen ist zweckmäßigerweise eine zweite Zener-Diode, die durch ein Schaltelement überbrückbar ist, in Reihe mit der ersten Zener-Diode angeordnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in einer Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung zur Umsetzung von auf Leitungen übertragenen Signalen in binäre Signale,

Fig. 2 ein Schaltbild einer weiteren Anordnung zur Umsetzung von auf Leitungen übertragenen Signalen in binäre Signale.

Ein Schaltelement 1, dessen Schaltzustand an einer entfernten Stelle erfaßt werden soll, ist mit den Enden zweier Adern 2, 3 eines Kabels 4 verbunden, das zu der entfernten Erfassungsstelle verlegt ist. Als zweite Lösung kann auch in manchen Fällen eine Masserückleitung verwendet werden. Bei dem Schaltelement 1 handelt es sich zum Beispiel um die Meldekontakte eines Schützes oder Leistungsschalter.

Mit der Ader 3 ist eine Klemme einer Wechselspannungsquelle 5 verbunden, bei der es sich insbesondere um die Netzwechselspannung von zum Beispiel 220 V handelt. Die andere Klemme der Wechselspannungsquelle 5 ist mit einem Widerstand 6 verbunden, der in Reihe mit der Primärwicklung 7 eines hochohmigen Übertragers 8 zugeordnet ist, der mit seinem zweiten Anschluß an die Ader 2 gelegt ist. Parallel zur Primärwicklung 8 ist ein Kondensator 9 geschaltet. Zwischen den Adern 2, 3 ist ein endlicher Isolationswiderstand vorhanden, der in Fig. 1 mit 10 bezeichnet ist. Weiterhin ist zwischen den Adern 2, 3 eine Leitungskapazität vorhanden, die in Fig. 1 mit 11 bezeichnet ist. Bei großen Leitungslängen ist der Isolationswiderstand relativ klein zum Beispiel in der Größenordnung von 470 KΩ. Die Leitungskapazität hängt ebenfalls von der Leitungslänge ab und hat bei großen Leitungslängen zum Beispiel Werte in der Größenordnung von 0,1 µF.

An die geteilte Sekundärwicklung 12 des Übertragers 8 ist ein Doppelweggleichrichter 13 angeschlossen, dessen Ausgänge 14, 15 jeweils mit einer Zener-Diode und einem Widerstand 17 verbunden sind. Parallel zur Zener-Diode 16 ist ein Schalter 18 gelegt. Der Zener-Diode 16 ist eine Lumineszenzdiode 19 nachgeschaltet, die in Reihe mit dem Widerstand 17 und der Zener-Diode 16 mit den Anschlüssen 14, 15 verbunden ist. Zu der Lumineszenzdiode 19 und dem Widerstand 17 ist die Reihenschaltung eines Widerstands 20, einer Diode 21 und eines Widerstands 22 angeordnet. Dem Widerstand 20 ist ein Kondensator 23 parallel geschaltet. Der Widerstand 22 und die Diode 21 sind gemeinsam über eine Diode 24 an einen Pol 25 einer Betriebsgleichspannung für einen Operationsverstärker 26 gelegt.

Der andere Pol 27 der Betriebsgleichspannung ist unmittelbar mit der Zener- Diode 16, der Lumineszenzdiode 19 und dem Widerstand 20 verbunden. Ein zwischen den Polen 25, 27 angeordneter Spannungsteiler 28 ist mit seinem Abgriff an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 26 angeschlossen, dessen invertierender Eingang an die gemeinsamen Verbindungsstellen der Diode 21 und des Widerstands 20 angeschlossen ist. Der Operationsverstärker 26 ist mit nicht näher bezeichneten weiteren Widerständen als Schwellenwertdiskriminator geschaltet.

Der Kondensator 9 wirkt als kapazitiver Teiler mit der Leitungskapazität 11 bei geöffnetem Schaltelement 1. In Verbindung mit dem hochohmigen Übertrager 8 (zum Beispiel der Bauform EI25), dem strombestimmenden Widerstand 6 und der Leuchtdiode 19 (als Anzeige des Betriebszustandes) wird ein genügender Störabstand erreicht, das heißt bei geöffnetem Schaltelement 1 bleibt die Lumineszenzdiode 19 dunkel.

Der Schalter 18 und die Diode 16 dienen der Spannungsanpassung an die Netzspannung (zum Beispiel 230 V/115 V). Die Anpassung kann auch mehrstufig sein oder entfallen. Der Teiler aus 20, 21 und 22 dient in Verbindung mit 23 der Signalaufbereitung und Überbrückung der Halbwellentäler der Sekundärspannung. Die Diode 24 verbindet die Entladung des Kondensators 23 über die Restschaltung. Über die Diode 24 und den Widerstand 22 wird bei hoher Eingangsspannung die Betriebsgleichspannung entlastet. Am Ausgang des Operationsverstärkers 26 steht in Abhängigkeit vom Schaltzustand des Schaltelements 1 ein binäres Signal mit verschiedener Wertigkeit zur Verfügung. Wenn das Schaltelement 1 geöffnet ist, gibt der Operationsverstärker 26 wegen eines der vollen Betriebsspannung entsprechenden Potentials am invertierenden Eingang ein niedriges Potential am Ausgang ab, dem zum Beispiel der binäre Wert "0" zugeordnet ist. Bei geschlossenem Schaltelement 1 gibt der Operationsverstärker 26 ein Signal mit hohem Pegel aus, dem der Wert "1" zugeordnet ist.

Beim geschlossenen Schaltelement 1 wird die Eingangsspannung U über den hochohmigen Übertrager 8 und der Zweiweggleichrichtung an den niederohmigen Zweig 19 und 17 gelegt. Nach dem Erreichen der vorgegebenen Schwelle wird das Signal durchgeschaltet.

Die Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der die galvanische Trennung durch ein Halbleiterelement gebildet wird. Gleiche Elemente sind in den Fig. 1 und 2 mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Die Verbindung eines Schaltelements 1 mit einem Kabel 4 und einer Wechselspannungsquelle entspricht derjenigen von Fig. 1. An die Ader ist eine Diode 29 angeschlossen, der ein Widerstand 30 nachgeschaltet ist, der weiterhin mit der Wechselspannungsquelle 5 verbunden ist. Das Schaltelement 1, die Adern 2, 3, die Wechselspannungsquelle 5, die Diode 29 und der Widerstand 30 sind in Reihe angeordnet. Parallel zum Widerstand 30 ist die Reihenschaltung eines Widerstands 31 einer Lumineszenzdiode 32 eines Optokopplers 33, einer Lumineszenzdiode 34 und einer Zener-Diode 35 angeordnet. Weiterhin kann eine von einem Schalter 36 überbrückbare Zener-Diode 37 zur Spannungsanpassung vorgesehen sein. Parallel zu den Lumineszenzdioden 32 und 35 ist ein Kondensator 38 angeordnet, dem eine bezüglich der Diode 29 in Sperrichtung gepolte Diode 39 parallel gelegt ist. Statt des Widerstands 30 kann auch ein Widerstand 40 zwischen dem Widerstand 31 und der Wechselspannungsquelle 5 angeordnet sein. Zusätzlich kann eine Diode 47 in Reihe mit dem Widerstand 31 und der Parallelschaltung aus den Bauteilen 32, 38 und 39 angeordnet sein.

Der Phototransistor 41 des Optokopplers 33 ist an einen Pol 42 einer Betriebsspannungsquelle und den nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 43 angeschlossen, dessen invertierender Eingang einer Referenzspannungsquelle angeschlossen ist. Der nicht invertierende Eingang ist weiterhin über einen Widerstand 44 und einen Kondensator 45 an dem anderen Pol 46 der Betriebsspannungsquelle angeschlossen.

Der Widerstand 30 ist so auf den Widerstand 10 abgestimmt, daß bei offenem Schaltelement 1 am Widerstand 30 beziehungsweise am Widerstand 40 eine geringe Spannung ansteht, die wegen der Zener-Diode 35 keinen Strom über den Optokoppler 33 treibt.

Bei geöffnetem Schaltelement wird durch die Diode 29 eine Umladung des Kondensators 11 verhindert und dieser somit ausgeblendet. Der Restanteil des Kondensatoreinflusses (Umladung über 10) und der Isolationswiderstand 10 wirkt mit dem Widerstand 30 als Teiler, so daß im Nennspannungsbereich am Widerstand 30 eine Spannung U_z ist, das heißt der Strom in den Lumineszenzdioden 32, 34 ist Null. Mit dem Widerstand 40 (statt 30 oder zusätzlich zu 30) können Spannungsanpassungen variiert werden.

Der Widerstand 31 begrenzt den Arbeitsstrom der Luminenszenzdioden 32 und 34. Der Kondensator 38 begrenzt in Verbindung mit dem Widerstand 31 Störgrößen der Spannung U. Die Diode 39 schützt 32 und 34 vor negativen Strömen und kann je nach den verwendeten Bauteilen (zum Beispiel bei sehr kleiner Sperrzeit der Diode 29), entfallen. Die Zener-Diode 37 der Schalter 36 dienen der Spannungsanpassung (zum Beispiel 230 V, 115 V). Die Spannungsanpassung kann auch mehrstufig sein beziehungsweise entfallen.

Beim geschlossenen Schaltelement wird die Eingangsspannung U über die Diode 29 als Einweggleichrichtung und den Widerstand 31 zugeführt. Nach dem Erreichen von U_z wird das Signal durchgeschaltet. Der Phototransistor 41 wird leitend, wodurch ein hohes Potential am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 43 auftritt, das zu einem hohen Pegel an dessen Ausgang führt. Diesem hohen Pegel ist zum Beispiel der binäre Wert "1" zugeordnet. Führt die Lumineszenzdiode 32 keinen Strom, herrscht am Ausgang des Operationsverstärkers 43 ein niedriges Potential, was einen niedrigen Pegel am Operationsverstärkerausgang hervorruft. Diesem Pegel ist zum Beispiel der binäre Wert "0" zugeordnet.

Es können mehrere Schaltungen an der gemeinsamen Wechselspannungsquelle 5 betrieben werden, deren Pole mit 48, 49 bezeichnet sind. Ist der Pol 49 der gemeinsame Bezug der Schaltungen, dann können von allen Schaltungen die mit B bezeichneten Stellen miteinander verbunden werden. Die Punkte B entsprechen der gemeinsamen Verbindungsstelle der Bauelemente 34, 38, 39 der miteinander zu verbindenden Schaltungen. Bei diesen Schaltungen wird die Teilerschaltung aus den Bauelementen 35, 36, 37 nur einmal benötigt.

Die zusätzlich vorgesehene Diode 47 verhindert das Ansprechen der Schaltungen für Eingangsspannungen der Wechselspannungsquelle 5 < (U₃₅ + U₃₇), wobei mit U₃₅ und U₃₇ jeweils die Zener-Spannungen der Zener-Dioden 35 und 37 bezeichnet sind.

Fehlt die Diode, dann verschiebt sich die Ansprechschwelle durch die als Parallelschaltung wirkenden Teilschaltungen der Bauelemente 39, 30, 31 bzw. 39, 40 der nicht gesteuerten Schaltungen (d. h. Schaltelement 1 offen) auf den Wert < (U₃₅ + U₃₇), wobei die Sättigungsschwellen der Dioden 29, 32, 31, 47 vernachlässigt sind.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung zur Umsetzung von auf Leitungen übertragenen Signalen in davon galvanisch getrennte binäre Signale, wobei die Leitungen an eine Wechselspannungsquelle und mindestens ein Schaltelement angeschlossen sind, dessen Schaltzuständen binäre Wertigkeiten zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß an die dem Schaltelement (1) abgewandten Enden der Leitungen (2, 3) die Reihenschaltung einer Wechselspannungsquelle (5) und eines hochohmigen Übertragers (8) angeschlossen ist, zu dem ein Kondensator (9) parallel gelegt ist, und daß an die Sekundärseite des Übertragers ein Gleichrichter (13) und ein Schwellenwertdiskriminator angeschlossen ist und daß die Kapazität des Kondensators (9) auf die Kapazität der Leitungen (2, 3) derart abgestimmt ist, daß bei offenem Schaltelement (1) am Kondensator (9) eine geringe Spannung ansteht, die über den Übertrager (8) einen Stromt treibt, der den Schwellwertdiskriminator nicht zum Ansprechen bringt.

2. Schaltungsanordnung zur Umsetzung von auf Leitungen übertragenen Signalen in davon galvanisch getrennte binäre Signale, wobei die Leitungen an eine Wechselspannungsquelle und mindestens ein Schaltelement angeschlossen sind, dessen Schaltzuständen binäre Wertigkeiten zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß an die dem Schaltelement (1) abgewandten Enden der Leitungen (2, 3) die Reihenschaltung einer Wechselspannungsquelle (5), einer Diode (29) und eines Widerstands (30; 40) angeschlossen ist, zu dem ein Optokoppler (33) parallel geschaltet ist, der ausgangsseitig mit einem Schwellenwertdiskriminator verbunden ist, und daß der Wert des Widerstands (30) auf den Isolationswiderstand der Leitungen (2, 3) derart abgestimmt ist, daß bei offenem Schaltelement (1) eine Spannung ansteht, die für die Lichtemission zu gering ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle (5) die Netzspannung ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Optokoppler (33) mindestens eine Zener-Diode (35) angeordnet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gleichrichter (13) und dem Schwellwertdiskriminator mindestens eine Zener-Diode (16) angeordnet ist, die durch einen Schalter (18) überbrückbar ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Übertrager (8) ein Widerstand (6) angeordnet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Optokoppler (33) ein Widerstand (31) angeordnet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Optokoppler (33) ein Kondensator (38) und eine Diode (39) angeordnet sind.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Widerstand (31) vor dem Opto-Koppler eine Diode (47) angeordnet ist.