DE4325322C1 - Anordnung zum Umsetzen eines Eingangsspannungssignals, das innerhalb eines weiten Bereichs schwanken kann, in ein binäres Ausgangssignal - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Umsetzen eines Eingangsspannungssignals, das in einen weiten Bereich schwanken kann, in ein binäres Ausgangssignal mit einem Detektor, der bei bestimmten Werten des Eingangsspannungssignals sein binäres Ausgangssignal von einem in den anderen binären Zustand ändert, und mit einer Strombegrenzungsschaltung.

Eine derartige Anordnung ist bereits bekannt (DE 37 44 079 C2). Bei dieser Anordnung steigt der Eingangsstrom, der zugleich Laststrom für die Quelle des Eingangsspannungssignals ist, mit steigender Eingangsspannung nur bis zu einem vorgebbaren Maximalwert. Darüber hinaus wird der Eingangsstrom nach dem Anlegen des Eingangsspannungssignals zunächst auf einen höheren und danach auf einen niedrigeren Wert begrenzt. Mit dieser Anordnung wird eine Verlustleistungsbegrenzung in zwei Stufen erreicht. Die höhere Stufe wird nur für kurze Zeit im Anschluß an das Anlegen des Eingangsspannungssignals erreicht, wobei aus der Eingangsspannungsquelle, ein größerer Strom fließt, der z. B. zu Kontaktreinigungszwecken verwendet wird. Danach wird durch die Strombegrenzung auf einen kleineren Wert die Verlustleistung in der Anordnung soweit herabgesetzt, daß sich Einsparungen in bezug auf die thermische Beanspruchung und damit die Abmessungen der Bauelemente ergeben.

In technischen Anlagen müssen vielfach elektrische Eingangssignale unterschiedlicher Größe verarbeitet werden. Oft handelt es sich dabei um binäre Signale, die nur zwei Zustände, z. B. ein und aus, annehmen. Einer der beiden Zustände ist beispielsweise das Vorhandensein einer bestimmten elektrischen Spannung, während der andere Zustand durch das Fehlen der Spannung gekennzeichnet ist.

Als Signalspannungen werden häufig Gleichspannungen verwendet, die im Bereich von bis zu 100 V liegen. Die Höhe der Signalspannung hängt von den Gegebenheiten des Einsatzorts ab, z. B. von der vorhandenen Anlagenspannung, von einer Bordnetzspannung, von den in der Anlage vorhandenen Bauelementen.

Bei Schaltkontakten wird oft ein bestimmter Mindeststrom zur Kontaktreinigung wenigstens im Einschaltmoment gefordert.

Eingabeschaltungen müssen bei vielen Anwendungsfällen eine gewisse Störunempfindlichkeit haben, die dadurch erreicht wird, daß die Anordnung von einer Signalquelle nur unter Aufbringung einer bestimmten Mindestleistung von einem binären Zustand in den anderen umgeschaltet wird. Diese Mindestleistung wird auf die regulären Signalquellen derart abgestimmt, daß sie nicht durch Störsignale aufgebracht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs beschriebenen Gattung dahingehend weiterzuentwickeln, daß bei Eingangssignalpegeln, die höher als eine von einer vorgebbaren Betriebsspannung abhängige Eingangssignalschwelle sind, für die Änderung des binären Ausgangssignals der Eingangsstrom vermindert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strombegrenzungsschaltung eine von der Eingangsspannung gespeiste Konstantstromquelle ist, die in Abhängigkeit von wenigstens einem Spannungsgrenzwert, der ein Bruchteil der Betriebsspannung der Anordnung ist, bei Eingangsspannungssignalen oberhalb des Spannungsgrenzwerts auf einen niedrigen und bei Eingangsspannungen unterhalb des Spannungsgrenzwerts auf einen höheren Konstantstrom eingestellt wird.

Bei größeren Eingangsspannungen fließt daher ein kleinerer Strom in die Anordnung als bei niedrigeren Eingangsspannungen. Die in der Anordnung auftretenden Stromwärmeverluste steigen deshalb nichtlinear mit höheren Eingangsspannungen an. Trotz eines großen Eingangsspannungsbereichs benötigt die Anordnung keine hardwaremäßige Anpassung, Änderung oder Einstellung, z. B. durch Austausch von Schaltungskomponenten. Bei negativen Eingangsspannungen schützt die Anordnung die interne Schaltung vor einer Zerstörung und erfüllt daher die entsprechende IEC-Norm.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt eine auf den oberen Wert des Schwankungsbereichs der Eingangsspannungssignale eingestellte Betriebsspannung über einen Spannungsteiler einen Referenzwert für einen ersten Komparator, der ausgangsseitig an die Konstantstromquelle angeschlossen ist, und für einen zweiten Komparator, dessen anderer Eingang über einen Spannungsteiler vom Eingangsspannungssignal beaufschlagt ist und der ausgangsseitig mit der Lumineszenzdiode eines Optokopplers verbunden ist. Die Betriebsspannung und die Eingangsspannung weisen verschiedene Quellen auf. Dies hat den Vorteil, daß die Betriebsspannungsquelle näher an der Anordnung angebracht sein kann und deshalb weniger Störeinflüssen ausgesetzt ist wie die Eingangsspannungen. Die Eingangsspannungen werden beispielsweise von Gebern erzeugt, die in einer technischen Anlage in größerer Entfernung von den Anordnungen zur Erzeugung binärer für logische Schaltkreise geeignete Signale angeordnet sind. Daher sind den Eingangsspannungen vielfach z. B. kurzzeitige Störspannungen überlagert. Diese Störspannungen beeinflussen somit nicht die Schwellen für die Umschaltung des Konstantstroms.

Es ist zweckmäßig, aus der Betriebsspannung mittels eines Gleichstrom- Gleichstrom-Wandlers die Versorgungsspannung für die Komparatoren und die Lumineszenzdiode des Optokopplers zu erzeugen. Die Komparatoren und die Lumineszenzdioden benötigen im allgemeinen kleinere Versorgungsgleichspannungen als die Eingangsspannung, die wegen der größeren Leitungslängen zwischen den Eingangsanordnungen und den Sensoren bzw. Gebern in der technischen Anlage höhere Werte haben muß. Diese Versorgungsspannungen werden deshalb aus der Betriebsspannung abgeleitet.

Die Konstantstromquelle ist insbesondere als stromgegengekoppelte Emitterschaltung mit der Eingangssignalspannungsquelle in Reihe gelegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Übersichtschaltbild einer Anordnung zum Umsetzen eines Eingangsspannungssignals, das innerhalb eines weiten Bereichs schwanken kann, in ein binäres Ausgangssignal und

Fig. 2 ein Schaltbild mit Einzelheiten der in Fig. 1 dargestellten Anordnung.

Eine Anordnung zum Umsetzen eines Eingangsspannungssignals, das innerhalb eines weiten Bereichs schwanken kann, in ein binäres Ausgangssignal, enthält einen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 1 der an eine Betriebsspannungsquelle 2 angeschlossen ist. Die Betriebsspannungsquelle 2 stellt eine Gleichspannung von beispielsweise 70 V zur Verfügung. Aus dieser Gleichspannung wird mittels des Wandlers 1 eine geregelte Gleichspannung von z. B. 5 V erzeugt. Der nach dem Zerhackerprinzip arbeitende Wandler 1 erzeugt an einem Ausgang 3 die niedrige Betriebsspannung für unten noch eingehender beschriebene elektronische Bauelemente. Mit dem Ausgang 3 sind eine Referenzschaltung 4 und eine Umsetzschaltung 5 verbunden. Die Referenzschaltung 4 ist auch an die Betriebsspannungsquelle angeschlossen und erzeugt wenigstens an zwei Ausgängen 6, 7 Referenzspannungen, die der Umsetzschaltung 5 zugeführt werden.

Die Umsetzschaltung 5 weist einen Eingang 8 für die Eingangsspannungssignale auf, deren Schwankungsbreite bis zur Höhe der Betriebsspannung reicht.

Die Referenzschaltung 4 enthält einen ersten Komparator 9, der mit dem nichtinvertierenden Eingang über einen aus zwei Widerständen 10, 11 bestehenden Spannungsteiler an den Ausgang 3 angeschlossen ist, an der die Hilfsspannung von 5 V anliegt. Mit dem Spannungsteiler wird eine Bezugsspannung erzeugt. Der invertierende Eingang des Komparators 9 ist an den Abgriff eines zwei Widerstände 12, 13 aufweisenden weiteren Spannungsteilers angeschlossen, dessen einer Widerstand 12 mit der Betriebsspannungsquelle 2 verbunden ist. Der erste Komparator 9 speist über einen Widerstand 14 den nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 15 in der Umsetzerschaltung 5, der zu einer Konstantstromquelle 16 gehört.

Der Komparator 9 ändert sein Ausgangssignal von einem niedrigen auf einen hohen Pegel, wenn die Eingangsspannung einen bestimmten Prozentsatz der Betriebsspannung überschreitet. Dieser Prozentsatz ist etwa 30%.

Der Ausgang des Differenzverstärkers 15 ist über einen Widerstand 17 mit der Basis eines bipolaren Transistors 18 verbunden, dessen Kollektor über einen Widerstand 19 mit dem Eingang 8 verbunden ist.

Der Emitter des Transistors 18 ist über einen Widerstand 20 an Masse gelegt, an die auch ein Pol der nicht näher dargestellten Eingangsspannungsquelle angeschlossen ist, deren anderer Pol mit dem Eingang 8 verbunden ist. Die Konstantstromquelle wird aktiviert, wenn der Differenzverstärker 9 einen hohen Ausgangspegel erzeugt, d. h. wenn die Eingangsspannung den bestimmten Prozentsatz der Betriebsspannung überschreitet.

Die Eingangsspannungsquelle ist insbesondere in Reihe mit einem Schaltelement, z. B. einem Endschalter 29 oder dgl. an den Eingang 8 und Masse gelegt. Der invertierende Eingang des Differenzverstärkers 15 ist mit dem Emitter des Transistors 18 verbunden.

Zwischen Masse und dem Eingang 8 ist weiterhin ein aus zwei Widerständen 21, 22 bestehender Spannungsteiler angeordnet, dessen Abgriff an den nichtinvertierenden Eingang eines zweiten Komparators 23 angeschlossen ist. Der invertierende Eingang des Komparators 23 ist mit dem Abgriff des aus den Widerständen 12, 13 bestehenden Spannungsteilers verbunden. Der Ausgang des Komparators 23 ist an eine Lumineszenzdiode 24 angeschlossen, die weiterhin über einen Widerstand 25 an Masse gelegt ist. Die Lumineszenzdiode 24 gehört zu einem Optokoppler 26, dessen Phototransistor 27 an seinem Emitter an einen Ausgang 28 der Umsetzerschaltung 5 gelegt ist. Mit dem Komparator 23 wird der durch die Widerstände 21, 22 geteilte Eingangsspannungspegel mit dem durch die Widerstände 12, 13 geteilten Spannungspegel der Betriebsspannung verglichen.

Die Betriebsspannung hat etwa die gleiche Größe wie der obere Wert des Schwankungsbereichs der Eingangsspannungssignale. Die Verwendung einer von der Eingangsspannung getrennten Betriebsspannung hat den Vorteil, daß die Betriebsspannung in oder nahe an den Gehäusen erzeugt werden kann, in denen die Anordnungen der oben beschriebenen Art in Form von Steckbaugruppen angeordnet sind. Dies bedeutet, daß die Betriebsspannung, die für die Speisung einer Anzahl von Anordnungen zur Umsetzung von Eingangsspannungen in binäre Signale verwendet wird, weniger Störeinflüssen ausgesetzt ist als die Eingangsspannungssignale.

Die Sensoren oder Geber über die die Eingangsspannungssignale an die Eingänge 8 herangeführt werden, befinden sich zumeist in technischen Anlagen entfernt von den Gehäusen bzw. Magazinen mit den Umsetzerschaltungen, wodurch Störsignale auf die Leitungen zwischen den Sensoren und Gebern und den Umsetzerschaltungen gelangen können. Falls jedoch durch die örtlichen Gegebenheiten solche Störeinflüsse entfallen, können die Betriebsspannungen und die Eingangsspannungssignale der gleichen Spannungsquelle entnommen werden.

Die oben beschriebene Anordnung hat einen Umschaltpunkt für den Eingangsstrom und einen Umschaltpunkt für die Eingangsspannung und arbeitet wie folgt: Der aus den Widerständen 10, 11 bestehende Spannungsteiler legt eine vorgebbare konstante Spannungsschwelle fest, mit der die an den Widerständen 12, 13 abgegriffene quasi variable Betriebsspannung verglichen wird.

Unterschreitet der an den Widerständen 12, 13 abgegriffene Teil der Betriebsspannung den vorgegebenen Wert, dann gibt der erste Komparator 9 eine hohe Spannung aus, durch die die Konstantstromquelle 16 so angesteuert wird, daß sie einen Konstantstrom erzeugt, wenn am Eingang 8 ein Eingangssignal anliegt. Da zwischen der Betriebsspannung und der maximal möglichen Größe des Eingangsspannungssignals der oben erwähnte Zusammenhang besteht, hat ein, z. B. über den Endschalter 29, am Eingang anliegendes Eingangsspannungssignal einen Schwankungsbereich, der nicht die Betriebsspannung übersteigt, d. h. es herrscht ein Eingangsspannungs­ signal mit geringer Größe. Die Eingangssignalspannungsquelle wird daher mit einem größeren Konstantstrom belastet.

Dies bedeutet, daß der Eingangssignalspannungsquelle eine gewisse Leistung auch bei niedrigen Eingangsspannungen entzogen wird. Die Höhe des Kontaktstroms ist abhängig von der Betriebsspannung. Überschreitet die Betriebsspannung einen bestimmten Wert (insbesondere 36 V), so wird der Eingangsstrom von einem hohen auf einen niedrigen Strom heruntergeschaltet, indem der Komparator 9 die Konstantstromquelle 16 entsprechend ansteuert. Dies geschieht aber nur dann, wenn die Eingangsspannung einen gewissen Prozentsatz der Betriebsspannung erreicht hat, was ein Signal mit hohem Pegel verursacht. Die Umschaltung des Eingangsstroms findet vorzugsweise bei einem Prozentsatz von mindestens 30% der Betriebsspannungsgröße statt.

Festgelegt wird die Umschaltung des Eingangsstroms durch den Betriebsspannungspegel an den Widerständen 12, 13 und einem konstanten Spannungspegel, der mit Hilfe des Gleichspannungs-, Gleichspannungswandlers aus der Betriebsspannung abgeleitet und über die Widerstände 10, 11 am Komparator 9 mit dem quasi variablen Betriebsspannungspegel verglichen wird.

Der Eingangsspannungspegel wird mit den Widerständen 21, 22 eingestellt und mit dem Spannungspegel der Betriebsspannung über die Widerstände 12, 13 am Komparator 23 verglichen. Der Komparator 23 gibt dann ein Signal mit hohem Pegel ab, wenn die Eingangsspannung einen gewissen Prozentsatz der Betriebsspannung erreicht hat. Dieser Prozentsatz ist z. B. mindestens 30%. Dann wird auch die Konstantstromquelle 16 aktiviert und es fließt ein definierter Eingangsstrom. Die maximal zulässige Verlust­ leistung wird dabei nicht überschritten. Wenn der zweite Komparator 23 ein Ausgangssignal mit hohem Pegel erzeugt, fließt über die Lumineszenzdiode 24 Strom. Hierdurch wird der Phototransistor 27 leitend gesteuert.

Die Eingangsspannung erzeugt mit dem Eingangsstrom eine gewisse Verlust­ leistung, die eine Störleistungsbarriere bildet und trotzdem auf der Baugruppe keine unerwünscht grobe Verlustwärme hervorruft. Die Störlei­ stungsbarriere ist auch bei niedrigen Eingangsspannungssignalen gegeben, da dann der Konstantstrom größer ist. Die Teilerverhältnisse der Wider­ stände 10, 11 bzw. 12, 13 sind unter Anpassung an die vorgegebene Be­ triebsspannung so gewählt, daß die Eingangsströme den IEC-Vorschriften entsprechen.

Beispielsweise ist durch die Teilerverhältnisse festgelegt, daß der Eingangsstrom I_E bei Betriebsspannungen U_S < 36 V_dc 6 mA oder mehr beträgt. Bei Betriebsspannungen 36 < V_S < 75 V_dc wird ein Eingangsstrom I_E < 2 mA erzeugt. Damit werden die Vorschriften IEC 57 und IEC 65 A erfüllt. Bei diesen Eingangsspannungen und Strömen ergeben sich ausreichende Störleistungsbarrieren, um kurzzeitige Störspannungen unwirksam zu machen, und hinreichend kleine Stromwärmeverluste, die es erlauben, mehrere Umsetzeranordnungen auf einer Steckbaugruppe anzuordnen, die in einem Magazin zusammen mit Steckbaugruppen der gleichen Art montiert wird.

Die Konstantstromquelle 16 arbeitet in Stromgegenkopplung. Die am nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 15 anliegende Spannung bestimmt die Aussteuerung des Transistors 18 und damit den Konstantstrom. Bei sehr großem Eingangsspannungsbereich können mehrere Grenzwerte der Eingangsspannung für die Umschaltung auf andere Konstantströme vorgegeben werden.

Mit der Basis des bipolaren Transistors 18 ist eine Zener-Diode 30 mit ihrer Kathode verbunden. Die Anode der Zener-Diode 30 ist gemeinsam mit dem negativen Pol des Gleichspannungs-Gleichspannungswandlers 1 an Masse gelegt.

Bei negativen Eingangsspannungen wird die Zener-Diode 30 leitend und verhindert, daß an der Basis des Transistors 18 eine zu hohe negative Spannung auftritt. Der Transistor 18 sperrt in diesem Fall, wodurch die interne Schaltung vor einer Zerstörung geschützt wird. Damit wird die IEC-Norm erfüllt.

Claims (8)

1. Anordnung zum Umsetzen eines Eingangsspannungssignals, das innerhalb eines weiten Bereichs schwanken kann, in ein binäres Ausgangssignal mit einem Detektor, der bei einem bestimmten Wert des Eingangsspannungssignals sein binäres Ausgangssignal von einem in den anderen binären Zustand ändert, und mit einer Strombegrenzungsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungsschaltung eine Konstantstromquelle (16) ist, die in Abhängigkeit von wenigstens einem Spannungsgrenzwert, der ein Bruchteil der Betriebsspannung der Anordnung ist, bei Eingangsspannungssignalen oberhalb des Spannungsgrenzwerts auf einen niedrigen und bei Eingangsspannungssignalen unterhalb des Spannungsgrenzwerts auf einen höheren Konstantstrom eingestellt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf den oberen Wert des Schwankungsbereichs der Eingangsspannungssignale eingestellte Betriebsspannung über einen Spannungsteiler einen Referenzwert für einen ersten Komparator (9), der ausgangsseitig an die Konstantstromquelle (16) angeschlossen ist, und für einen zweiten Komparator (23) erzeugt, dessen anderer Eingang über einen Spannungsteiler vom Eingangsspannungssignal beaufschlagbar ist und der ausgangsseitig mit der Lumineszenzdiode (24) eines Optokopplers verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Betriebsspannung mittels eines Gleichstrom-Gleichstrom- Wandlers die Versorgungsspannung für die Komparatoren (9, 23) und die Lumineszenzdiode (24) des Optokopplers (26) erzeugt wird.

4. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle (16) als stromgegengekoppelte Emitterschaltung ausgebildet und mit einer Eingangssignalquelle in Reihe schaltbar ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Komparator (9) ausgangsseitig mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers (15) verbunden ist, der mit der Basis eines in Emitterschaltung angeordneten Transistors (18) verbunden ist, dessen Emitter auf den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers rückgekoppelt ist.

6. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der von der Betriebsspannung und der Eingangsspannung beaufschlagten Widerstände (12, 13; 21, 22) der Spannungsteiler so aufeinander abgestimmt sind, daß der zweite Komparator (23) umschaltet, wenn die Eingangsspannung mindestens 30% der Betriebsspannung erreicht hat.

7. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der jeweils von der Betriebsspannung und der Versorgungsspannung beaufschlagten Widerstände (10, 11; 12, 13) der Spannungsteiler vor dem ersten und zweiten Komparator (9, 23) so aufeinander abgestimmt sind, daß der Konstantstrom von einem hohen auf einen niedrigen Wert geschaltet wird, wenn die Betriebsspannung größer als etwa 36 V wird.

8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (18) der stromgegengekoppelten Emitterschaltung an seiner Basis mit einem Widerstand (17), der weiterhin an den Ausgang des Differenzverstärkers (15) angeschlossen ist, und mit einer Zener-Diode (30) verbunden ist, die zwischen Basis und dem einen Pol der Versorgungsschaltung angeordnet ist.