DE4029399A1 - Optokoppleruebertrager - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Übertragen digitaler Signale in einer Ausführung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das Prinzip der Optokopplung zwischen zwei Stromkreisen, die vollständig voneinander isoliert sind, ist bekannt. Die Signalübertragung zwischen den beiden Kreisen erfolgte in einem solchen Fall durch Lichtstrahlen. Bei der Übertragung von elektrischen Signalen im Übergang zwischen wenigstens einem eigensicheren Bereich, wie z. B. ein schlagwetter- oder explosionsgefährdeter Bereich, und einem normalen Bereich sind spezielle Vorschriften zu erfüllen. So sind z. B. für solche Zwecke nur speziell ausgebildete Optokoppler zugelassen. Infolge der besonderen Bauweise dieser speziellen Optokoppler haben sie im Vergleich zu normalen Optokopplern relativ niedrige Grenzfrequenzen und ungleiche Ein- und Ausschaltzeiten. Da dies für zahlreiche Schaltungsaufgaben unbefriedigend ist, will die Erfindung hier Abhilfe schaffen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht dementsprechend darin, eine Schaltungsanordnung unter Verwendung speziell ausgebildeter Optokopplerübertrager bereitzustellen, die die vorerwähnten Nachteile nicht aufweist, d. h. vor allem so beschaffen ist, daß die Schaltzeiten der Optokoppler verkürzt und die Verzögerungen beim Ein- oder Ausschalten normalisiert werden. Darüber hinaus soll sich die Schaltungsanordnung durch eine stromsparende Betriebsweise und eine gute Temperatur- und Langzeitstabilität auszeichnen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Schaltungsanordnung vor, bei der zwei gleiche, speziell für die Verwendung in gefährdeten Bereichen ausgebildete Optokoppler in Parallelschaltung vorgesehen sind, denen ein Ansteuerkreis vorgeschaltet ist, der die zu übertragenden Signale empfängt und die beiden Optokoppler im Gegentakt ansteuert, bei der ferner die Fototransistoren der Optokoppler parallel in einer Differenzschaltung angeordnet sind, wobei ihre Kollektoren mit einer gemeinsamen Stromquelle verbunden sind, und bei der an jeden Emitter der Fototransistoren je ein Eingang eines Komparators angeschlossen ist, der das Ausgangssignal liefert.

Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Schaltungsanordnung besteht darin, daß die Eingänge des Komparators durch einen Kondensator zur Ableitung von hochfrequenten Fehlerströmen überbrückt sind.

Die nach der Erfindung vorgesehene Parallelschaltung von zwei Optokopplern ist eine wesentliche Voraussetzung für die gegenüber bekannten Schaltungen dieser Art erzielbaren Vorteile. Als Folge der Gegentaktsteuerung der beiden Fototransistoren ist einer stets leitend. Dadurch ist die Kollektor-Emitter-Spannung am nicht leitenden Transistor relativ klein. Auf diese Weise wird das Aufladen der parasitären Kapazitäten des Kollektor-Basis-Oberganges drastisch vermindert und die Voraussetzung zum schnellen Umschalten geschaffen. Der den Fototransistoren nachgeschaltete Komparator wertet das Differenzsignal aus und stellt die ursprüngliche Impulsform wieder her (Regeneration). Ein weiterer Vorteil der neuen Schaltungsanordnung ist die Unempfindlichkeit gegen Gleichtaktstörungen, z. B. infolge von Schwankungen der Betriebsspannung oder induktiv eingekoppelter Störungen.

Ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. In der einzigen Zeichnung ist ein Stromlaufplan eines erfindungsgemäßen Optokopplerübertragers dargestellt.

In der Zeichnung sind links von der Trennlinie (A) der Sender- und rechts von der Trennlinie der Empfängerteil des Optokopplerübertragers dargestellt. Senderteil und Empfängerteil sind nur über Lichtstrahlen in einer Richtung gekoppelt. Von der dargestellten Schaltung befindet sich wenigstens einer der beiden Teile in einem gefährdeten Bereich. Eine vollständige Isolierung von zwei Stromkreisen ist überall dort notwendig, wo an die Datenübertragung Sicherheitsanforderungen gestellt werden, wie z. B. in explosionsgefährdeten Bereichen, Hochspannungsbereichen oder auch in der Medizintechnik.

Den Signaleingang (B) des Sendeteils bildet der Eingang eines Ansteuerkreises (1), der jeweils zu Beginn eines Eingangsimpulses an einem der beiden Ausgänge (2, 3) den Impuls in der Normallage und am anderen Ausgang gleichzeitig in einer um 180° versetzten Lage liefert. Ein solcher Ansteuerkreis ist an sich bekannt. Die Leitung (4) führt zur nicht dargestellten Stromversorgung des Ansteuerkreises (1). Dieser Ansteuerkreis ist so ausgelegt, daß die Verzögerungen beim Signalübergang vom niedrigen Pegel (L) zum hohen Pegel (H), denen beim umgekehrten Übergang (H→L) gleich sind. Mit Hilfe des Ansteuerkreises (1) werden die Optokoppler bis in die Sättigung angesteuert. Jeder Optokoppler besteht aus einer Leuchtdiode (5 bzw. 6) und einem Fototransistor (7 bzw. 8). Nach diesem Prinzip arbeitende Optokoppler für die Verwendung in gefährdeten Bereichen sind als geschlossene Bauelemente erhältlich.

Die Fototransistoren (7 und 8) im Empfängerteil sind in einer Differenzanordnung geschaltet und werden aus einer gemeinsamen Stromquelle (9) versorgt. In Reihe mit jedem Fototransistor (7 bzw. 8) ist ein Emitterwiderstand (10) geschaltet. Die Ausgänge der Fototransistoren (7 und 8) sind an einem Komparator (11) angeschlossen, dessen Ausgang (C) das zu übertragende Signal liefert. Die Leitungen (12) und die Leitung (13) mit einem Vorwiderstand (14) führen zu einer nicht dargestellten Stromquelle.

Die Eingänge (15, 16) des Komparators (11) sind durch einen Kondensator (17) überbrückt.

Zur Funktionsweise der dargestellten Schaltungsanordnung:
Einer der beiden Fototransistoren (7 bzw. 8) ist immer leitend. Dadurch ist die Kollektor-Emitter-Spannung am nicht leitenden Transistor relativ klein. Auf diese Weise wird das Aufladen der parasitären Kapazitäten des Kollektor-Basis-Überganges drastisch vermindert und die Voraussetzung für das gewünschte schnelle Umschalten geschaffen.

Im Schaltmoment (H→L oder L→H-Obergang) wird einer der Fototransistoren eingeschaltet und der andere ausgeschaltet. Die Verzögerung, die von der Ansteuerung der Leuchtdioden bis zum Ein­ bzw. Ausschalten der Fototransistoren entstehen, sind durch die Symmetrie der Schaltung gleich lang und überdies unabhängig vom Ausgangszustand. Der nachgeschaltete Komparator wertet das Differenzsignal der Optokoppler aus und stellt die ursprüngliche Impulsform wieder her (Regeneration).

Der in Sperrichtung polarisierte Übergang Kollektor-Basis und die hier vorhandene parasitäre (Miller-) Kapazität erschweren das Ableiten der räumlichen Ladung der Basiselektrode und die Rekombination der Ladungsträger. Der Fototransistor leitet weiter Strom trotz nicht vorhandener Ansteuerung. Die Einschaltverzögerung ist mithin viel kürzer als die Ausschaltverzögerung. Im Schaltmoment wird der auszuschaltende Fototransistor kurzgeschlossen über den leitenden, gerade eingeschalteten parallelen Fototransistor. Der zur Verfügung stehende Strom wird somit sehr schnell vom parallelen Transistor übernommen.

Auf diese Weise werden die Schaltverzögerungen erheblich verkürzt und für beide Übergänge der Ansteuerung (H→L und L→H) gleichgemacht (normalisiert). Die Voraussetzungen für eine schnelle Impulsübertragung mittels Optokoppler werden somit erfüllt. Es hat sich gezeigt, daß durch diese Schaltung eine wesentliche Erhöhung des Datendurchsatzes, mindestens um den Faktor 20, erzielbar ist. Außerdem ist die Schaltung unabhängig von Parameterstreuungen und äußeren Bedingungen (Spannung, Temperatur). Auch sind Abgleicharbeiten nicht erforderlich.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zum Übertragen digitaler Signale im Übergang zwischen zwei eigensicheren Bereichen oder einem eigensicheren und einem normalen Bereich und umgekehrt mit einem Optokoppler als Übertragungselement, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche, speziell für die Verwendung in gefährdeten Bereichen ausgebildete Optokoppler (5, 7 bzw. 6, 8) in Parallelschaltung vorgesehen sind, denen ein Ansteuerkreis (1) vorgeschaltet ist, der die zu übertragenden Signale empfängt und die beiden Optokoppler (5, 7 bzw. 6, 8) im Gegentakt ansteuert, daß die Fototransistoren (7, 8) der Optokoppler (5, 7 bzw. 6, 8) parallel in einer Differenzschaltung angeordnet sind, wobei ihre Kollektoren mit einer gemeinsamen Stromquelle (9) verbunden sind, und daß an jeden Emitter der Fototransistoren (7, 8) je ein Eingang (15 bzw. 16) eines Komparators (11) angeschlossen ist, der das Ausgangssignal liefert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge (15, 16) des Komparators (11) durch einen Kondensator (17) zur Ableitung von hochfrequenten Fehlerströmen überbrückt sind.