DE4034718A1 - Schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schalten eines Transistors in einem Gleichspannungsausgangskreis in Abhängigkeit von einem Steuersignal in einem Eingangskreis nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist zur Kopplung eines digitalen Steuerkreises mit einem Leistungskreis vorgesehen. Auf ein digitales Steuersignal wird im Leistungskreis (Aus­ gangskreis) eine hohe Gleichstrom-Ausgangsleistung über einen Transistor geschaltet, z. B. ein Schütz, ein elektro­ magnetisches Stellglied oder dergleichen.

Die Schaltungsanordnung ist in einem allseits geschlossenen Gehäuse mit genormten Maßen angeordnet und wird als soge­ nannter mehrkanaliger Schnittstellenbaustein oder Verstär­ kerbaustein vertrieben. Jeder Eingangskreis und jeder Aus­ gangskreis hat dabei zwei Anschlußklemmen, wobei das Steuer­ signal des Eingangskreises über einen Optokoppler auf den Ausgangskreis übertragen wird. Da der Ausgangskreis keine externe Stromversorgung aufweisen soll, muß die zum Schalten des Transistors notwendige Leistung über den Optokoppler übertragen werden. Die übertragbare Leistung ist jedoch begrenzt, so daß der Transistor nicht voll durchschalten kann und sich im leitenden Zustand noch im Regelbereich befindet, weshalb eine entsprechende Verlustleistung auf­ tritt, die zu einer erheblichen Erwärmung des Transistors führt. Bei derartigen bekannten Schaltungsanordnungen waren daher nur Ströme bis ca. 2 A schaltbar.

Aufgrund der Erwärmung des Schalttransistors sind auch Kühl­ anordnungen vorzusehen, die einen erheblichen Platzbedarf im Gehäuse beanspruchen. Die Anzahl der in einem Gehäuse unter­ zubringenden Schaltkanäle ist dabei durch die Kühlanordnun­ gen stark eingeschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs­ anordnung der gattungsbildenden Art derart weiterzubilden, daß ohne externe Stromversorgung und bei Aufrechterhaltung der galvanischen Trennung dem Ausgangskreis ausreichend Lei­ stung zur Verfügung gestellt ist, um ein vollständiges Durchschalten des Schalttransistors sicherzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Der Transistor kann nun sicher im Schaltbereich betrieben werden, da ausreichend Steuerenergie für den Schaltzustands­ wechsel über den DC/DC-Wandler zur Verfügung gestellt ist. Die galvanische Trennung ist dabei aufrechterhalten; eine externe Stromversorgung für die Ausgangskreise ist nicht notwendig, so daß weiterhin der Eingangskreis wie der Aus­ gangskreis nur zwei Anschlußklemmen aufweisen. Da der Tran­ sistor sicher im Schaltbereich betrieben werden kann, tritt nur eine geringe Verlustleistung und damit geringe Erwärmung auf. Es können so sehr hohe Schaltleistungen erzielt werden, ohne daß Kühlanordnungen im Gehäuse notwendig werden. Durch den Wegfall der Kühlanordnungen lassen sich im selben Gehäu­ se mehr Schaltkanäle unterbringen, so zum Beispiel vier bis sechs Schaltkanäle. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ermöglicht das gleichzeitige Schalten von kleinen und großen Strömen im selben Baustein. Ferner konnte ein ausgezeichnetes Schaltverhalten auch bei indukti­ ven Lasten beobachtet werden. Auch bei hohen Ubertragungs­ frequenzen wurde ein Prellen im Ausgangskreis nicht festge­ stellt.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Steuersignal des Ein­ gangskreises über einen Optokoppler auf den Ausgangskreis übertragen und die Eingangsseite des DC/DC-Wandlers parallel zu den Eingangsklemmen des Optokopplers geschaltet, um eine Leistungsübertragung zu erzielen. Das auftretende Steuersig­ nal im Eingangskreis führt somit zu einem entsprechenden Durchschalten des Optokopplers und damit Schalten des Aus­ gangskreises. Da das Steuersignal gleichzeitig am DC/DC-Wandler anliegt, wird genau im Zeitpunkt des Schaltens des Ausgangskreises eine ausreichende Steuerenergie zur Ver­ fügung gestellt, die einen sicheren Schaltzustandswechsel des Schalttransistors gewährleistet.

Vorteilhaft werden mehrere voneinander unabhängige Eingangs­ kreise über je einen Optokoppler mit einem zugeordneten Aus­ gangskreis verbunden und zur Leistungsübertragung ein ge­ meinsamer DC/DC-Wandler angeordnet, dessen Eingangsseite je­ weils parallel zu den entkoppelten Eingangsklemmen jedes Op­ tokopplers liegt. Auf diese Weise kann ein kostenintensiver DC/DC-Wandler zur Leistungsversorgung mehrerer Ausgangskrei­ se herangezogen werden, wobei zur Signalübertragung preis­ günstige Optokoppler eingesetzt werden können.

Vorteilhaft ist der Schalttransistor ein Leistungstransi­ stor, zum Beispiel MOSFET. MOS-Leistungstransistoren haben den Vorteil, daß sie im statischen Zustand keine Steuer­ energie aufnehmen. Lediglich beim Zustandswechsel wird Steuerenergie benötigt. Diese Steuerenergie wird dabei in ausreichendem Maße über den DC/DC-Wandler im Zeitpunkt des Durchschaltens vom Steuersignal abgeleitet, wobei die not­ wendige galvanische Trennung zwischen Eingangskreis und Ausgangskreis in vollem Umfang aufrechterhalten wird.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der weiteren Beschreibung und der Zeichnung, die ein nachstehend im ein­ zelnen beschriebenes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

Die Schaltungsanordnung besteht aus zwei Eingangskreisen 1 und 2, denen jeweils ein Ausgangskreis 3 und 4 zugeordnet ist. Jeder Eingangskreis 1 bzw. 2 ist über einen Optokoppler 5 mit dem Ausgangskreis 3 bzw. 4 verbunden.

Parallel zu den Anschlußklemmen E1/GND des Eingangskreises 1 ist der Eingangskreis 7 eines DC/DC-Wandlers 6 (Gleichstrom­ wandler) geschaltet. Der Eingangskreis 7 des DC/DC-Wandlers 6 liegt auch zu den Anschlußklemmen E2/GND des Eingangskrei­ ses 2 parallel. Um die Eingangskreise voneinander zu entkop­ peln, ist die Verbindung des Eingangskreises 7 mit den An­ schlußklemmen E1 und E2 jeweils über eine Entkoppeldiode 18 vorgesehen, so daß ein Stromfluß von den Eingangsklemmen E1 und E2 zum DC/DC-Wandler 6 möglich ist, ein Signal an der Anschlußklemme E1 jedoch nicht auf die Anschlußklemme E2 weitergeleitet wird.

Die Ausgangsseite 8 des DC/DC-Wandlers 6 dient der Strom­ versorgung der Ausgangskreise 3 und 4. Zwischen den An­ schlußklemmen A1 und B1 bzw. A2 und B2 der Ausgangskreise 3 und 4 ist ein Schalttransistor 10 angeordnet, der vorzugs­ weise ein MOS-Leistungstransistor ist. Dieser Transistortyp hat den Vorteil, daß er im statischen Schaltzustand keine Steuerenergie aufnimmt und lediglich beim Schaltzustands­ wechsel Steuerenergie benötigt. Die Basis des Schalttran­ sistors 10 ist über den Transistor 5a des Optokopplers mit dem einen Pol der Ausgangsseite 8 des DC/DC-Wandlers ver­ bunden, während der Steueranschluß des MOS-Schalttransistors 10 mit dem anderen Pol der Ausgangsseite 8 in Verbindung steht. Zwischen Basis und Steueranschluß liegen parallel eine Schutzdiode 11 und ein Schutzwiderstand 12.

Entsprechend dem Ausgangskreis 3 ist der Ausgangskreis 4 beschaltet; im Verbindungszweig des Ausgangskreises 8 mit den Ausgangstransistoren 5a der Optokoppler 5 ist ein ge­ meinsamer Ohmscher Schutzwiderstand 9 angeordnet. Die Ausgangsklemmen A1 und A2 sind ferner über Entkoppeldioden 19 voneinander getrennt, so daß die gemeinsam an der Aus­ gangsseite 8 des Gleichstromwandlers 6 parallel angeschlos­ senen Ausgangskreise 3 und 4 nicht aufeinander rückwirken können.

Ein digitales Steuersignal auf der Anschlußklemme E1 akti­ viert den Optokoppler 5 und schaltet dessen Ausgangstran­ sistor 5a durch. Die Ausgangsseite 8 des DC/DC-Wandlers wird über den Ausgangstransistor 5a des Optokopplers 5 auf den Ausgangskreis 3 geschaltet. Die für den Schaltzustandswech­ sel des Schalttransistors 10 notwendige Steuerenergie wird dabei vom Steuersignal des Eingangskreises abgeleitet, da das Steuersignal neben dem Optokoppler 5 auch auf der Ein­ gangsseite des DC/DC-Wandlers anliegt. Dieses Steuersignal bedingt einen entsprechenden Stromfluß auf der Ausgangsseite 8 des DC/DC-Wandlers 6 und stellt damit ausreichend Leistung zur Verfügung, um den Schaltzustandswechsel des Schalttran­ sistors 10 auszuführen. Die Anschlußklemmen A1 und B1 des Ausgangskreises 3 werden über den Schalttransistor 10 durch­ geschaltet, wobei eine nur geringe Verlustleistung auftritt.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist gewährlei­ stet, daß dem Transistor 10 ausreichend Steuerenergie zuge­ führt werden kann, um ihn im Schaltzustand und nicht im Re­ gelbereich zu betreiben. Die Steuerenergie wird dabei aus dem Steuersignal im Eingangskreis abgeleitet, wobei die gal­ vanische Trennung zwischen dem Eingangskreis und dem Aus­ gangskreis in vollem Umfang aufrechterhalten wird.

Zur optischen Anzeige eines im Eingangskreis 1 bzw. 2 auf­ tretenden Steuersignals ist eine Reihenschaltung aus einer Leuchtdiode 13 und einem Schutzwiderstand 14 vorgesehen.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zum Schalten eines Transistors in einem Gleichspannungsausgangskreis (3, 4) in Abhängig­ keit von einem Steuersignal in einem Eingangskreis (1, 2), wobei das Steuersignal im Eingangskreis (1, 2) über einen Koppler (5) galvanisch getrennt auf den Ausgangs­ kreis (3, 4) übertragen wird und der Eingangskreis (1, 2) wie der Ausgangskreis (3, 4) zwei Anschlußklemmen (E1, GND; E2, GND; A1, B1; A2, B2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler ein DC/DC-Wand­ ler ist, dessen Eingangsseite (7) an den Anschluß­ klemmen (E1, GND; E2, GND) des Eingangskreises (1, 2) angeschlossen ist und dessen Ausgangsseite (8) zur Lei­ stungsversorgung des Schalttransistors (10) beim Schalt­ zustandswechsel geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal des Ein­ gangskreises (1, 2) über einen Optokoppler (5) auf den Ausgangskreis (3, 4) übertragen wird und zur Leistungs­ übertragung die Eingangsseite des DC/DC-Wandlers (6) pa­ rallel zu den Eingangsklemmen des Optokopplers (5) liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere voneinander unabhän­ gige Eingangskreise (1, 2) über je einen Optokoppler (5) mit einem zugeordneten Ausgangskreis (3, 4) verbunden sind und zur Leistungsübertragung ein gemeinsamer DC/DC-Wandler (6) angeordnet ist, dessen Eingangsseite (7) jeweils parallel zu den entkoppelten Eingangsklemmen (E1, E2) jedes Optokopplers liegt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor ein Leistungstransistor, insbesondere ein MOS-Leistungstran­ sistor ist.