DE4142254C2 - Binäreingang für potentialfreie Schaltkontakte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Installationsbus der Gebäudesystemtechnik gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Schaltungsan­ ordnung ist aus dem Aufsatz von Knorr in der Zeitschrift etz, 1992, Heft 11, S. 638-648 (Bild 1) bekannt.

Binäreingabeglieder werden zur Integration von Sensoren in der dort beschriebenen Gebäudesystemtechnik benötigt. Viele Sensoren verwenden als Ausgangsgröße einen einfachen, binären Schaltkontakt, z. B. Dämmerungsmelder, Eiswarner, Bewegungsmelder, Glasbruchmelder usw. Tür- und Fenster­ stellungen werden oft unmittelbar mit Reed-Relais-Kontakten erfaßt.

Die Abfrage des Schaltzustandes eines Kontaktes geschieht in herkömmlichen Eingabegliedern nach dem in Fig. 4a und Fig. 4b dargestellten Prinzip, das heißt die Spannung einer Spannungsquelle U wird über den abzutastenden Kon­ takt K auf den Eingang des Eingabegliedes geschaltet, so daß bei geschlossenem Kontakt diese Spannung am Eingang anliegt, bei geöffnetem Kontakt dagegen nicht. Da zur sicheren Kontaktgabe der Strom durch den Kontakt mindestens 10 mA betragen muß, wird bei diesem Verfahren mit einer Spannung von 5 Volt eine Leistung von 5 V × 10 mA = 50 mWatt benötigt.

Soll das Binäreingabeglied einerseits diese Leistung zur Kontaktabfrage bereitstellen und andererseits direkt aus dem Installationsbus gespeist werden, so wäre dieser Lei­ stungsbedarf von 50 mW pro Kontakt viel zu hoch, denn die Busleitung hat regelmäßig eine Vielzahl von Teilnehmern zu versorgen, so daß für den einzelnen Teilnehmer nur eine geringe Leistung zur Verfügung steht. Eine entsprechend geringe Leistung von 5 mW und weniger pro Kontakt ist deshalb anzustreben.

Um Spannungsverschleppungen in ausgedehnten Anlagen der Gebäudesystemtechnik mit weit verzweigten Leitungswegen zu vermeiden, ist die Möglichkeit zur galvanischen Tren­ nung zwischen Kontakt und Binäreingabeglied zwingend erforderlich.

Aus der Veröffentlichung etz Bd. 113 (1992) Heft 11, S. 638-648 ist eine Schaltungsanordnung der gattungsbildenden Art bekannt, wonach diese zur Zustandsüberwachung poten­ tialfreie Kontakte vorsieht.

Zum Stand der Technik kann auch verwiesen werden auf die DE 39 41 319 A1, DE 32 28 686 A1 und DE 34 24 294 A1. Die dort beschriebenen Schaltungen beziehen sich auf die Abfrage von Schaltkontakten mittels Impulsver­ fahren. Hinsichtlich einer Potentialtrennung eines abgefragten Kontaktes von den impulserzeugenden Steuer­ gliedern ist in diesen Dokumenten nichts offenbart.

Aus der deutschen Patentschrift DE 28 28 551 C2 sind matrixartige Meldekontakte für ein Gebäudeleitsystem bekannt, die jedoch keine potentialtrennende Wirkung zwischen der Impulserzeugung und den Kontakten auf­ weisen. Ebenso ist eine hierauf bezogene Auswertung auch nicht vorgesehen.

Auf der DE 28 06 294 A1 ist die Erzeugung einer sinusförmigen Spannung bekannt, die potentialge­ trennt an einem Kontakt herangeführt wird. Diese Schaltung sieht jedoch keine Impulserzeugung und Impulsauswertung vor.

Schließlich ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 91 07 193 U1 eine Erkennungsschaltung für Herde bekannt, wobei die Netzspannung gleichgerichtet wird und das gleichgerichtete Signal galvanisch durch Optokoppler vom Netz getrennt wird. Auch hier sieht die bekannte Schaltung keine Impulserzeugung und Impulsauswertung vor.

Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, folgende Forderungen für ein Binäreingabeglied zu erfüllen:

• 1. Die Verlustleistung des Binäreingabegliedes muß kleiner als 5 mW pro Kontaktabfrage sein.
• 2. Der Kontaktstrom muß mindestens 10 mA betragen.
• 3. Es soll die Möglichkeit bestehen den abzutastenden Schaltkontakt galvanisch von der Busleitung zu trennen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Zeichnung werden nachfolgend Ausführungsbei­ spiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzip-Schaltbild eines ersten Ausführungs­ beispiels mit einem einzigen potentialfreien Kontakt, gekoppelt an einen Zweileiterbus;

Fig. 2 das Prinzip-Schaltbild eines weiteren Aus­ führungsbeispiels mit Kontakten K1 bis Kn;

Fig. 3a) das Schaltsymbol, in dem das Koppelglied Ko1 als Verbindungsleitung dargestellt ist;

Fig. 3b) das Schaltsymbol, in dem das Koppelglied Ko1 als Trenntransformator im Durchfluß­ betrieb dargestellt ist;

Fig. 3c) das Schaltsymbol, in dem das Koppelglied Ko1 als Trenntransformator für Sperrbe­ trieb dargestellt ist;

Fig. 3d) das Schaltsymbol, in dem das Koppelglied Ko2 als Optokoppler dargestellt ist;

Fig. 3e) das Schaltsymbol, in dem das Koppelglied Ko2 als Kondensator dargestellt ist;

Fig. 3f) das Schaltsymbol, in dem das Koppelglied Ko2 als Trenntransformator ausgeführt ist;

Fig. 3g) das Schaltsymbol, in dem das Koppelglied Ko2 als Verbindungsleitung mit einem Eingangswiderstand X ausgeführt ist;

Fig. 4a) und b) Prinzip-Schaltbilder des Standes der Technik;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel zur Verdeutlichung des Prinzip-Schaltbildes der Fig. 1;

Fig. 6 Impulsdiagramme zur Veranschaulichung der Funktion des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5.

In Fig. 1 und 2 ist mit BL ein Zweileiterbus bezeichnet, der mit einem Busteilnehmer BT verbunden ist, der über ein Steuerglied St sowie über einen oder mehrere Speicher M . . . Mn verfügt. An den Busteilnehmer BT ist ein elek­ tronischer Schalter S mit Kondensator C und einem Koppel­ glied Ko1 angeschlossen. Der Ausgang dieses Koppelglie­ des Ko1 führt auf eine oder mehrere Anschlußklemmen 1 eines oder mehrerer parallel angeordneter, potential­ freier Kontakte K, K1 bis Kn. Mit der Anschlußklemme 2 eines jeden Kontaktes besteht eine Verbindung zu jeweils einem Koppelglied Ko2, Ko3 bis Kon + 1 mit dem reellen oder komplexen Eingangswiderstand X1 . . . Xn. Jedes Koppelglied Ko2 bis Kon + 1 ist mit einem Speicher M (Fig. 1) oder in Fig. 2 mit einem Speicher M1 bis Mn verbunden.

Aufbau und Funktion der Schaltung zur Erfassung der Stellung eines potentialfreien Kontaktes werden am Beispiel des Prinzip-Schaltbildes in Fig. 1 erläutert.

Ein Kondensator C wird kontinuierlich durch einen kleinen Strom aus dem Busteilnehmer BT geladen. Ein Steuerglied St bewirkt ein zyklisches, kurzes Schließen des elektro­ nischen Schalters S, wodurch bei geschlossenem Kontakt K zyklisch kräftige Stromimpulse entstehen, die über das Koppelglied Ko1 und über den geschlossenen Kontakt K in den Eingangswiderstand X des Koppelgliedes Ko2 hinein­ fließen und von diesem in Spannungsimpulse umgeformt werden. Diese Spannungsimpulse werden in den Speicher M eingelesen und am Ausgang Q erscheint ein binärer Wert, der dem Zustand des geschlossenen Kontaktes entspricht und der von dem Busteilnehmer BT weiter verarbeitet wer­ den kann. Bei geöffnetem Kontakt erscheint an diesem Ausgang ein inverser Wert, der dem Zustand des geöff­ neten Kontaktes entspricht.

Die Amplitude der Stromimpulse kann durch entsprechende Dimensionierung des Eingangswiderstandes X vom Koppel­ glied Ko2 eingestellt werden. Wird für das Koppelglied Ko1 eine Verbindungsleitung nach Fig. 3a und für das Koppelglied Ko2 eine Verbindungsleitung nach Fig. 3g vorgesehen, so kann der in diesem Falle ohmsche Wider­ stand X wie folgt ermittelt werden:

wobei Up die Impulsspannung ist und Ip die gewünschte Stromstärke des Impulses.

Die mittlere Leistungsaufnahme Pm der Schaltungsanord­ nung nach Fig. 1 ergibt sich aus der Impulsenergie be­ zogen auf die Zykluszeit; wobei die Steuerleistung für den elektronischen Schalter S vernachlässigt wird.

Danach errechnet sich:

(t1 Impulsdauer; t2 Zykluszeit).

Bei einer Impulsspannung Up = 5 V, einem Impulsstrom von 10 mA, einer Impulszeit t1 = 10 µs sowie einer Zykluszeit t2 = 5 ms ergibt sich eine mittlere Leistung von nur 100 µW. Eine galvanische Trennung des Kontaktes K ist aufgrund der Impulsform problemlos durch einen Trenn­ trafo (Fig. 3b) für das Koppelglied Ko1 sowie einen Trenntrafo (Fig. 3f), einen Optokoppler (Fig. 3d) oder einen Kondensator (Fig. 3e) für das Koppelglied Ko2 möglich. Somit sind die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben erfüllt.

In Fig. 2 ist dargestellt, daß anstelle von einem ein­ zigen Kontakt auch mehrere solcher Kontakte, K1 bis Kn in der vorbeschriebenen Weise abtastbar sind, wobei die Anzahl der Speicherglieder M1 bis Mn mit der Anzahl der Kontakte K1 bis Kn mit den zugehörigen Eingangswiderstän­ den X1 bis Xn der Koppelglieder Ko2 bis Kon + 1 über­ einstimmen. Im einzelnen gibt es noch verschiedene Mög­ lichkeiten, die Schaltung zu verwirklichen. So kann bei­ spielsweise das Steuerglied St des Busteilnehmers BT wie im vorliegenden Falle durch einen entsprechend programmier­ ten Micro-Controller realisiert werden; desgleichen kann ein solches Steuerglied auch durch reine Hardware ausgeführt sein. Sollen, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, von einem Binär­ eingabeglied ein oder mehrere Kontakte K1 bis Kn potential­ getrennt abgefragt werden, bietet sich als Koppelglied Ko1 und Ko2 ein Trenntransformator im Durchflußbetrieb gemäß Fig. 3b und Fig. 3f an.

Für den Fall, daß auf einen galvanisch getrennten An­ schluß eines Kontaktes K verzichtet werden kann, können die Koppelglieder Ko1 und Ko2 als Verbindungsleitung gemäß Fig 3a und Fig. 3g ausgeführt werden. Im Falle des galvanisch getrennten Anschlusses eines Kontaktes K kann das Koppelglied Ko1 auch als Trenntransformator im Sperrbetrieb gemäß Fig. 3c geschaltet werden; das Koppelglied Ko2 entweder als Optokoppler gemäß Fig. 3d, oder auch als Kondensator gemäß Fig. 3e ausgeführt sein.

Ein ausgeführtes Schaltungsbeispiel mit Zeitdiagramm soll die Funktion weiter verdeutlichen:
Danach zeigt Fig. 5 eine Schaltung nach Fig. 1, 3b und 3d. Der Schalter S wurde durch einen PNP-Transistor realisiert, das Koppelglied Ko1 durch einen Trenn­ transformator (Fig. 3b) und das Koppelglied Ko2 durch einen Optokoppler (Fig. 3d). Fig. 6 zeigt das dazugehörige Impuls-Zeitdiagramm.

Das Signal (A) in Fig. 6 zeigt die Schaltstellung des Kontaktes K. Signal (B) steuert zyklisch die Basis des Transistors S, Signal (C) zeigt den daraus resultierenden, zyklisch wiederkehrenden Spannungspuls an der Primärseite des Trenntransformators Ko1, Signal (D) zeigt den Span­ nungsverlauf am Widerstand X, der aus der Reihenschaltung aus Optokoppler-Diode und Widerstand R2 besteht. Der im­ pulsförmige Strom durch die Optokoppler-Diode steuert den Transistor des Optokopplers zyklisch durch, siehe Signal (E). Schließlich erscheint am Ausgang Q das um die Ent­ prellzeit verzögerte Signal (F), das die Stellung des Kontaktes K wiedergibt.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung für einen Installationsbus der Gebäudesystemtechnik zur Zustandsüberwachung potential­ freier als binäre Sensor- oder Meldekontakte vorge­ sehener Kontakte (K), dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Anordnung, bestehend aus einem Kondensator (C), einem elektronischen Schalter (S), einem ersten und einem zweiten Koppelglied (Ko1, Ko2), an die der Kontakt (K) angeschlossen ist, und weiter über einen Speicher (M) sowie eine Steuerung (St) verfügt,
• - daß aus einem am Installationsbus angeschlossenen Busteilnehmer (BT) kontinuierlich Energie in den Kondensator (C) fließt, die durch zyklisches, kurzzeitiges Schließen des von der Steuerung (St) angesteuerten elektronischen Schal­ ters (S), bei geschlossenem Kontakt (K) in Stromimpulse umgeformt wird, die über das erste Koppelglied (Ko1) und über den geschlossenen Kontakt (K) in den nieder­ ohmigen Eingangswiderstand (X) des zweiten Koppelgliedes (Ko2) hineinfließen,
• - daß das zweite Koppelglied (Ko2) die Stromimpulse im Spannungsimpulse umformt,
• - daß der Speicher (M) die Spannungsimpulse einliest, wodurch an dessen Ausgang (Q) ein binärer Wert erscheint, der dem geschlossenen Zustand des Kontaktes, (K) entspricht, und den der Busteilnehmer (BT) weiterverarbeiten kann, wogegen bei geöffnetem Kontakt (K) ein inverser Wert am Ausgang (Q) des Speichers (M) erscheint, der dem geöff­ neten Zustand des Kontaktes (K) entspricht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß anstelle von einem potentialfreien Kontakt (K) auch mehrere solcher Kontakte (K1 bis Kn) über die in Anspruch 1 vorgegebene Anordnung abtast­ bar sind, wobei die Anzahl der Speicherglieder (M1 bis Mn) mit der Anzahl der Kontakte (K1 bis Kn) samt der entsprechenden Anzahl von zweiten Koppelgliedern (Ko2 bis Kon + 1) übereinstimmt (Fig. 2).

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Koppelglied (Ko1) als Trenntransformator (b) ausgeführt ist, der im Durch­ flußbetrieb geschaltet ist (Fig. 3b).

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Koppelglied (Ko1) als Trenntransformator (c) ausgeführt ist, der im Sperr­ betrieb geschaltet ist (Fig. 3c).

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Koppelglied (Ko1) als Verbindungsleitung (a) ausgeführt ist (Fig. 3a).

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Koppelglied (Ko2) als Optokoppler (d) ausgeführt ist (Fig. 3d).

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Koppelglied (Ko2) als Trenntransformator (f) ausgeführt ist (Fig. 3f).

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Koppelglied (Ko2) als Verbindungsleitung (g) mit dem Eingangs­ widerstand (X) ausgeführt ist (Fig. 3g).

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Koppelglied (Ko2) als Kondensator (e) ausgeführt ist (Fig. 3e).