DE4440280A1 - An einen Bus anschließbares Ein-, Ausgabemodul - Google Patents
An einen Bus anschließbares Ein-, AusgabemodulInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein an einen Bus anschließbares Ein-,
Ausgabemodul, das wenigstens einen Ausgang für analoge Spannungen,
die durch auf dem Bus übertragene Signale vorgebbar sind, und wenig
stens einen Ausgang für analoge Ströme aufweist, die ebenfalls durch
auf dem Bus übertragene Signale vorgebbar sind.
Automatisierungssysteme setzen sich vielfach aus einzelnen Baugruppen
oder Modulen zusammen, die an einen Bus an geschlossen sind, über den
Daten zwischen den Baugruppen oder Modulen übertragen werden. Die
Baugruppen oder Module können räumlich verteilt angeordnet sein. Der
Bus ist z. B. als serieller Feldbus ausgebildet. Wenigstens einige der
Baugruppen oder Module empfangen Signale von Gebern oder Sensoren
aus einem Prozeß und geben Steuersignale an Aktoren oder Anzeigeele
mente des Prozesses aus. Vielfach handelt es sich bei den Steuersigna
len um analoge Ströme oder Spannungen. Diese Ströme oder Spannungen
müssen zumeist potentialgetrennt von den Signalen des Busses ausgege
ben werden. Für die Potentialtrennung sind im allgemeinen Optokoppler
an den Busschnittstellen vorgesehen.
Für die Spannungs- und Stromausgänge werden jeweils getrennte An
schlüsse bzw. Klemmen vorgesehen. Je ein analoger Spannungs- und
Stromausgang kann als ein Ausgangskanal betrachtet werden.
Eine Baugruppe eines Automatisierungsgeräts mit in Reihe angeordneten
Anschlußelementen für von außen an die Baugruppe herangeführten
Leitungen ist bereits durch die deutsche Patentanmeldung P 44 10 171.6
vorgeschlagen worden. In dieser Patentanmeldung ist eine mit Bauele
menten wenigstens einer elektrischen Schaltung bestückte Leiterplatte
beschrieben, auf der für die Ein- und/oder Ausgabe von Signalen
und/oder Betriebsspannungen von oder zu Aktoren drei Steckverbin
derleisten in Abständen parallel und mit gleichem Aufbau fluchtend zu
einander angeordnet sind.
Jeweils drei Kontaktelemente je aus einer Steckverbinderleiste sind
längs einer geraden Linie angeordnet und jeweils für die Signaleingabe,
die Signalausgabe oder für Betriebsspannungen vorgesehen. Die Leiter
platte ist in einem zweiteiligen Gehäuse angeordnet, von dem der rück
wärtige Teil auf eine Tragschiene aufschnappbar ist und der vordere
Teil mit Ausnehmungen einerseits für den Zugang zu den Steckverbin
derleisten und andererseits als Fenster für auf der Leiterplatte ange
ordnete optische Anzeigeelemente versehen ist. Die Anzeigeelemente sind
jeweils längs der Linie im Abstand von den Kontaktelementen der Steck
verbinderleisten angeordnet und zeigen Pegel auf diesen Kontaktele
menten an. Auf den Steckverbindern sind Gegensteckverbinderleisten
befestigbar, an deren Kontaktelementen die Enden der von außen heran
geführten Leitungen befestigt sind.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Ein-, Ausgabemodul mit
wenigstens einem Ausgang für durch Signale des Busses steuerbare
analoge Spannungen und wenigstens einem Ausgang für durch Signale
steuerbare analoge Ströme zu entwickeln, bei dem der Ausgang für ana
loge Ströme dann, wenn keine solchen Ströme benötigt werden, für an
dere Zwecke auf einfache Weise umgestellt werden kann.
Das Problem wird bei einem Ein-, Ausgabemodul der eingangs beschrie
benen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Ausgang für ana
loge Ströme ein über einen Widerstand an eine Betriebsspannungsquelle
gelegter Transistor vorgeschaltet ist, dessen Steuerelektrode in Abhän
gigkeit von der durch ein Steuersignal einstellbaren Stellung eines
Schaltelements mit einem, einen analogen Strom im Ausgangskreis des
Transistors erzeugenden Signal beaufschlagbar oder an eine den Transi
stor in die Sättigung steuerndes Potential gelegt ist. Bei dieser Anord
nung kann der Ausgang für analoge Ströme auch zur Abgabe einer Be
triebsspannung für Stromverbraucher verwendet werden. Derartige Be
triebsspannungen werden vielfach für Sensoren wie Näherungsinitiato
ren, Lichtschranken und dgl. benötigt, deren Ausgangssignale jeweils an
den bzw. die Eingänge des Moduls gelegt werden können.
Bei vielen Anwendungsfällen ist hierbei kein eigenes Netzgerät für die
Sensoren oder Aktoren erforderlich. Damit verringert sich auch der
Aufwand, der für die Betriebsmittel eines Prozesses notwendig ist. Die
Wahl der Betriebsart des Ausgangs geschieht auf einfache Weise mittels
eines Steuersignals. Dieses Steuersignal kann am Modul durch ein Stell
element erzeugt werden. Es ist aber auch möglich, im Ein-, Ausgabemo
dul Stellelemente, z. B. Speicher vorzusehen, die an ihren Ausgängen
das Steuersignal erzeugen, wenn sie durch einen auf den Bus übertra
genen Befehl entsprechend eingestellt sind. Der analoge Spannungsaus
gang steht auch dann zur Verfügung, wenn der Stromausgang eine Be
triebsspannung abgibt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der in Reihe mit dem Transi
stor angeordnete Widerstand mit einem Anschluß unmittelbar und mit
dem anderen Anschluß in Reihe mit einem weiteren Widerstand jeweils
mit dem invertierenden oder nichtinvertierenden Eingang eines Operati
onsverstärkers verbunden, der ausgangsseitig an die Steuerelektrode
des Transistors angeschlossen ist und an dessen nichtinvertierenden
Eingang wahlweise ein analoges Signal oder ein die Sättigung des Tran
sistors bewirkendes Potential anlegbar ist. Diese Anordnung bildet eine
Stromspiegelschaltung, die in der ersten Betriebsweise, in der das ana
loge Signal dem einen Eingang zugeführt wird, einen analogen Strom im
Kreis mit der Reihenschaltung des Transistors und des Widerstands er
zeugt. Dieser Strom ist dem Quotienten aus demjenigen Widerstand, der
in Reihe mit dem Transistor liegt, und dem weiteren Widerstand propor
tional. In der anderen Betriebsweise wird das potential am nichtinvertie
renden Eingang des Operationsverstärkers so eingestellt, daß der Tran
sistor in die Sättigung getrieben wird, wodurch nahezu das volle Poten
tial der Betriebsspannungsquelle am Ausgang für Verbraucher verfügbar
ist.
Vorzugsweise ist der nichtinvertierende Eingang des Operationsver
stärkers über einen Widerstand einerseits mit einem vom Steuersignal
leitend steuerbaren Schalter am Massepotential anlegbar und anderer
seits über eine Diode mit einer Spannungsgesteuerten Stromquelle ver
bunden, deren Eingang eine analoge Spannung zuführbar ist. Diese An
ordnung erzeugt am Ausgang einen der analogen Spannung am Ein
gang der Spannungsgesteuerten Stromquelle proportionalen Strom.
Die Diode entkoppelt die spannungsgesteuerte Stromquelle in der zweiten
Betriebsweise vom nichtinvertierenden Eingang des Operationsver
stärkers, so daß der Ausgang eine Betriebsspannung abgibt. Das Ein-,
Ausgabemodul erzeugt zuerst eine analoge Spannung, die in den analo
gen Strom in der ersten Betriebsweise umgewandelt wird. Ein der analo
gen Spannung entsprechender Digitalwert wird insbesondere über den
Bus übertragen und mittels eines Digital/Analog-Wandlers in die analoge
Spannung umgesetzt, die an den Eingang der spannungsgesteuerten
Stromquelle angelegt wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dar
gestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.
In der Zeichnung ist ein Ein-, Ausgabemodul 1 im Prinzipschaltbild dar
gestellt. Das Ein-, Ausgabemodul 1 wird insbesondere im Rahmen eines
Automatisierungssystems eingesetzt, um Signale eines Prozesses zu er
fassen und Signale an Stellelemente des Prozesses auszugeben. Mit den
weiteren Teilnehmern des Automatisierungssystems ist das Ein-, Ausga
bemodul 1 über einen Bus 2 verbunden. Im Ein-, Ausgabemodul 1 ist
eine Steuerlogik 3 vorgesehen, die z. B. einen Mikroprozessor oder Mi
krocontroller enthält. Die Steuerlogik 3 empfängt Signale vom Bus 2 und
gibt Signale an den Bus 2 aus, um den Datenaustausch mit anderen
Teilnehmern am Bus 2 abzuwickeln. Auf die Verarbeitung von Eingangs
signalen am Modul wird bei der vorliegenden Erfindung nicht näher ein
gegangen. Die Verarbeitung kann herkömmlich sein. Das Ein-, Ausgabe
modul 1, das als Baugruppe ausgebildet ist, kann eine Vielzahl von Ein-,
Ausgabeanschlüssen aufweisen. In der Fig. 1 sind nur zwei Ausgabean
schlüsse 4, 5 dargestellt, die jeweils einen Masseanschluß enthalten, der
nicht näher bezeichnet ist.
Der Anschluß 4 ist für die Ausgabe eines analogen Spannungssignals
bestimmt. Der Anschluß 4 ist mit dem Ausgang eines Operationsver
stärkers 6 verbunden, der als invertierender Verstärker mit einem Wi
derstand 7 vor dem invertierenden Eingang und einem Rückkopplungs
widerstand 8 zwischen Ausgang und invertierendem Eingang geschaltet
ist. Der nichtinvertierende Eingang ist an Masse gelegt.
Das Ein-, Ausgabemodul 1 enthält ein Netzgerät 9, das aus der
Netzspannung eine Betriebsgleichspannung für elektronische Bauelemente
im Ein-, Ausgabemodul 1 erzeugt. Das Netzgerät 9 gibt an einem
Ausgang 10 eine positive und an einem Ausgang 11 eine negative
Gleichspannung aus. Ein, der positiven und negativen Betriebsspannung
gemeinsamer Pol des Netzgeräts 9 ist an Masse gelegt. Der
Operationsverstärker 6 ist mit einem Betriebsspannungsanschluß an den
Ausgang 10 und mit dem anderen Betriebsspannungsanschluß 11 an den
Ausgang 11 angeschlossen.
Dem Widerstand 7 wird vom Ausgang 12 eines Digital/Analog-Umsetzers
13 gespeist, der an seinen Eingängen mit der Steuerlogik 3 verbunden
ist. Am Ausgang 4 wird daher eine der Ausgangsspannung des Digi
tal/Analog-Umsetzers 13 entsprechende verstärkte Spannung an einen
nachgeschalteten Verbraucher ausgegeben.
Mit dem Ausgang 12 ist weiterhin ein Anschluß eines Widerstands 14
verbunden, dessen anderer Anschluß an den invertierenden Eingang ei
nes weiteren Operationsverstärkers 15 in dem Ein-, Ausgabemodul 1 an
geschlossen ist. Der Operationsverstärker 15 ist mit seinen Betriebs
spannungsanschlüssen ebenso wie der Operationsverstärker 6 an die
Ausgänge 10, 11 des Netzgeräts 9 gelegt. Der nichtinvertierende Eingang
des Operationsverstärkers 15 ist an Masse gelegt.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 15 ist mit der Gate-Elektrode ei
nes Feldeffekttransistors 16 verbunden, der im folgenden als FET 16 be
zeichnet wird. Der FET 16 ist ein Sperrschicht-FET mit N-Kanal. Die
Source-Elektrode des FET 16 ist mit dem invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 15 verbunden. Der Operationsverstärker 15 bildet
zusammen mit dem FET 16 eine spannungsgesteuerte Stromquelle.
Die Drain-Elektrode des FET 16 ist mit der Kathode einer Diode 17 ver
bunden, deren Anode an einen Anschluß eines Widerstands 18 gelegt ist,
dessen anderer Anschluß mit dem nichtinvertierenden Eingang eines zu
sätzlichen Operationsverstärkers 19 im Ein-, Ausgabemodul 1 verbunden
Ist.
Die Betriebsspannungsanschlüsse des Operationsverstärkers 19 sind
ebenso wie die Betriebsspannungsanschlüsse der Operationsverstärker 6,
15 jeweils mit den Ausgängen 10, 11 des Netzgeräts 9 verbunden.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 19 ist an die Steuerelektrode ei
nes Isolierschicht-Feldeffekttransistors 20 vom Anreicherungstyp ver
bunden. Der Feldeffekttransistor 20 wird im folgenden mit FET 20 be
zeichnet.
Die Drain-Elektrode des FET 20 ist mit dem Ausgabeanschluß 5 verbun
den. Die Source-Elektrode des FET Ist über einen Widerstand 21 mit dem
Ausgang 10 des Netzgeräts 9 verbunden. Die Source-Elektrode des FET
20 ist weiterhin an den invertierenden Eingang des Operationsverstär
kers 19 gelegt. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstär
kers 19 ist über einen Widerstand 22 mit dem positiven Ausgang 10 des
Netzgeräts 9 verbunden.
An die Anode der Diode 17 ist ein kontaktloser Schalter 23 mit einem
Anschluß gelegt. Der Schalter 23 ist mit einem Steuersignal leitend und
nichtleitend steuerbar. Das Steuersignal kann z. B. an einem Einstellele
ment 24 des Ein-, Ausgabemoduls 1 eingestellt werden. Es ist auch mög
lich, das Steuersignal auf dem Bus 2 zu übertragen und von der
Steuerlogik 3 an den Schalter 23 auszugeben.
Der Operationsverstärker 19 ist mit den Widerständen 18, 21, 22 und
dem FET 20 In einer Stromspiegelschaltung angeordnet. Wenn der
Schalter 23 nichtleitend ist, fließt über den FET 16, die Diode 17 und
die Widerstände 18, 22 ein Strom, der in der Zeichnung mit dem Pfeil I₁
bezeichnet ist. Der Operationsverstärker 19 und der FET 20 verursachen
einen über den FET 20 und den Widerstand 21 zum Ausgang 5 und von
dort zu einem Verbraucher fließenden Strom I₂, der nach folgender Be
ziehung dem Strom I₁ proportional ist:
worin mit R₂₂ der Wert des Widerstands 22 und mit R₂₁ der Wert des
Widerstands 21 bezeichnet sind.
Der Strom I₁ wird nur vom Widerstand 14 und von der Spannung am
Ausgang des Digital/Analog-Umsetzers 13 nach folgender Beziehung be
stimmt:
worin mit U₁ die Spannung am Ausgang des Digital/Analog-Umsetzers
und mit R₁₄ der Wert des Widerstands 14 bezeichnet sind.
I₂ ist der zum Verbraucher über den Ausgang 5 fließende Strom. Am
Ausgang 5 steht daher ein analoger Strom I₂ einem angeschlossenen
Verbraucher zur Verfügung, wenn der Schalter 23 nichtleitend ist. Dies
entspricht einer ersten Betriebsart des Ausgangs 5.
In einer zweiten Betriebsart wird der Schalter 23 leitend gesteuert, so
daß die Anode der Diode 17 an Massepotential liegt, wodurch die Diode
17 sperrt.
In diesem Fall wird der Strom I₁ von der Größe der Widerstände 22 und
18 bestimmt. Die Widerstandswerte der Widerstände 18 und 22 werden so
ausgewählt, daß R₁₈ » R₂₂ ist, so daß für den Strom I₁ gilt:
worin mit UBetr. die positive Betriebsspannung am Anschluß 10 und mit
R₁₈ der Wert des Widerstands 18 bezeichnet sind.
Der Wert R₁₈ wird so gewählt, daß der Operationsverstärker den FET 20
in die Sättigung treibt. Dabei ergibt sich am Ausgang 20 eine Spannung,
die um den Spannungsabfall am Widerstand 21 kleiner ist als die posi
tive Betriebsspannung am Ausgang 10 des Netzgeräts 9. Diese Spannung
wird als Betriebsspannungsversorgung für an den Ausgang 5 ange
schlossene Verbraucher benutzt.
Das Ein-, Ausgabemodul 1 kann für die direkte Verdrahtung von Senso
ren und Aktoren ohne zusätzliche Rangierklemmen verwendet werden,
was u. a. durch den mechanischen Aufbau möglich ist, wie er in der
Patentanmeldung P 44 10 171 beschrieben ist.
Der Bus 2 ist vorzugsweise ein serieller Bus, da dieser über Optokopp
ler (hier nicht dargestellt) leicht potentialtrennbar ist. Der Ausgang 5
ist als analoger Stromausgang und als Betriebsspannungsversorgungs
ausgang verwendbar, wodurch für viele Anwendungsfälle, in denen kein
analoger Stromausgang benötigt wird, Geber, Aktoren usw. durch den
Ausgang 5 mit Betriebsspannung versorgt werden können. Hierdurch
lassen sich externe Netzgeräte für diese Bauelemente einsparen.
Ein besonderer Vorteil des oben beschriebenen Ein-, Ausgabemoduls be
steht darin, daß der analoge Spannungsausgang auch verwendet werden
kann, wenn der Stromausgang in der zweiten Betriebsart für die Ver
sorgung eines oder mehrerer Geber mit Betriebsspannung genutzt wird.
Claims (4)
1. An einen Bus anschließbares Ein-, Ausgabemodul, das wenigstens
einen Ausgang für analoge Spannungen, die durch auf dem Bus
übertragene Signale vorgebbar sind, und wenigstens einen Aus
gang für analoge Ströme aufweist, die durch auf dem Bus über
tragene Signale vorgebbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Ausgang (5) für analoge Ströme ein über einen Wider
stand (21) an eine Betriebsspannungsquelle gelegter Transistor
(20) vorgeschaltet ist, dessen Steuerelektrode in Abhängigkeit von
der durch ein Steuersignal einstellbaren Stellung eines Schaltele
ments (23) mit einem, einen analogen Strom im Ausgangskreis des
Transistors (20) erzeugenden Signal beaufschlagbar oder an eine
den Transistor (20) in die Sättigung steuerndes Potential gelegt
ist.
2. Ein-, Ausgabemodul nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der in Reihe mit dem Transistor (20) angeordnete Widerstand
(21) mit einem Anschluß unmittelbar und mit dem anderen An
schluß in Reihe mit einem weiteren Widerstand (22) jeweils mit dem
invertierenden oder dem nichtinvertierenden Eingang eines Opera
tionsverstärkers (19) verbunden ist, der ausgangsseitig an die
Steuerelektrode des Transistors (20) angeschlossen ist und an
dessen nichtinvertierenden, wahlweise ein analoges Signal oder ein
die Sättigung des Transistors (20) bewirkendes Potential anlegbar
ist.
3. Ein-, Ausgabemodul nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers (19)
über einen Widerstand (18) einerseits mit dem vom Steuersignal
leitend steuerbaren Schaltelement (23) an Massepotential anlegbar
und andererseits über eine Diode (17) mit einer spannungsge
steuerten Stromquelle (14, 15, 16) verbunden ist, deren Eingang
eine analoge Spannung zuführbar ist.
4. Ein-, Ausgabemodul nach einem oder mehreren der vorhergehen
den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zwischen dem positiven Pol der Betriebsspannungsquelle
und dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers
(19) angeordnete Widerstand (22) einen sehr viel kleineren Wider
standswert hat als der zwischen dem nichtinvertierenden Eingang
des Operationsverstärkers (19) und der Diode (17) angeordnete
Widerstand.
Priority Applications (1)
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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Owner name: AEG SCHNEIDER AUTOMATION GMBH, 63500 SELIGENSTADT, |
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Owner name: SCHNEIDER AUTOMATION GMBH, 63500 SELIGENSTADT, DE |
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