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GRUNDLAGEN
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine galvanische Isolationskopplung einer Stromschleife
mit einem Operationsverstärker
als Teil der Stromschleife und einem Optoisolator mit zwei Empfängern. Solch
eine galvanische Isolationskopplung ist in der
US 5107202 A (G. Render),
vom 21.04.1992,
1, beschrieben.
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Stromschleifen
werden gemeinhin eingesetzt, um Messdaten zu übertragen. Ein Konstantstromsignal,
das durch die Stromschleife läuft,
wird durch einen Messsensor und einen Messtransmitter erzeugt, wobei
eine zu messende Variable zum Beispiel eine Temperatur oder ein
Druck sein kann. Das Konstantstromsignal hat typischerweise eine
Größe von 4...20
mA, wobei der untere Grenzwert für
den Messbereich der zu messenden Variablen entsprechend dem 4 mA
Stromsignal und der entsprechende obere Grenzwert für den Messbereich
entsprechend dem 20 mA Stromsignal gesetzt werden. Es ist oft erwünscht, dass
die das Stromsignal übertragende Stromschleife
galvanisch getrennt ist von dem Schaltkreis, der die Messdaten verarbeitet.
Zum Beispiel kann die gemessene Information als Rückkopplung
für eine
Steuerung dienen. Eine galvanische Isolation erlaubt es, die Messdaten
in Bezug auf ein Potential zu verarbeiten, welches von dem der Stromschleife
unterschiedlich ist, wobei die Zuverlässigkeit der Verarbeitung verbessert
und der Aufbau der erforderlichen Kopplung vereinfacht sind. Um
die Information des Stromsignals in der Stromschleife ungestört in einen
isolierten Stromkreis zu übertragen, muss
die Isolationskopplung sehr zuverlässig in ihrem Aufbau und in
ihrem Betrieb sein. Störungen
bei der Isolation stellten ein Problem bei Isolationskopplungen
von Stromschleifen gemäß dem Stand
der Technik dar und dementsprechend war es schwierig, das Messsignal
angemessen zu verarbeiten.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Isolationskopplung
für eine
Stromschleife bereitzustellen, mit der die oben genannten Nachteile
vermieden werden können
und die es ermöglicht,
eine Information zuverlässig
und genau unter Verwendung einer einfachen Schaltkreislösung von
einem Stromsignal einer Stromschleife in einen Schaltkreis zu übertragen,
der galvanisch von der Stromschleife getrennt ist. Dies wird erreicht
mit einer Kopplung gemäß der Erfindung,
welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Isolationskopplung auch
einen ersten Widerstand aufweist, der als Teil der Stromschleife
in Reihe liegt mit einem Operationsverstärker, und eine transmittierende
LED eines Optoisolators, derart, dass ein erster Pol des ersten
Widerstandes mit der Stromschleife und ein zweiter Pol des ersten
Widerstandes mit einem positiven Spannungspunkt des Operationsverstärkers verbunden
sind und die Anode der transmittierenden LED mit einem negativen Spannungspunkt
des Operationsverstärkers
verbunden ist, wodurch die Stromschleife über die Kathode der transmittierenden
LED geschlossen ist, und wobei die Kopplung zusätzlich folgendes aufweist:
Eine
Parallelkopplung einer Zener-Diode und eines Kondensators zwischen
den positiven und negativen Spannungszuführpunkten des Operationsverstärkers derart,
dass die Kathode der Zener-Diode an den positiven Spannungszuführpunkt
des Operationsverstärkers
gekoppelt ist, der weiterhin an den positiven Eingang des Operationsverstärkers gekoppelt
ist,
Eine Fotodiode, deren Anode mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden
ist und deren Kathode mit der Kathode der transmittierenden LED verbunden
ist, Einen zweiten Widerstand, dessen erster Pol mit dem ersten
Pol des ersten Widerstandes und dessen zweiter Pol mit dem negativen
Eingang des Operationsverstärkers
verbunden ist, wodurch die Kathode der ersten empfangenden PIN-Diode
des Optoisolators mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers und
die Anode mit der Kathode der transmittierenden LED verbunden ist,
und
Einen Schaltkreis, der galvanisch von der Stromschleife
isoliert ist und eine zweite empfangende PIN-Diode des Optoisolators
aufweist.
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Die
Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass für die galvanische Isolation
eine Operationsverstärkerkopplung
zusammen mit einem Optoisolator eingesetzt werden kann, der zwei
Empfänger
hat. Somit kann die zweite empfangende PIN-Diode des Optoisolators
zur Rückkopplung
in die Isolationskopplung verwendet werden. Aufgrund der Rückkopplung
folgt der Strom der PIN-Diode des galvanisch isolierten Schaltkreises
eng dem Strom in der Stromschleife.
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Ein
Vorteil der erfindungsgemäßen Isolationskopplung
ist die hohe Genauigkeit und die bei der Isolation erreichte große Bandbreite.
Darüber
hinaus ist die Isolationskopplung einfach zu implementieren und
hat einen stabilen Aufbau.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Nachfolgend
wird die Erfindung in Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele mit Blick auf
die Zeichnung näher
beschrieben, wobei
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1 eine
galvanische Isolationskopplung einer Stromschleife gemäß der Erfindung
zeigt.
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BESCHREIBUNG
VON EINZELHEITEN DER ERFINDUNG
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1 zeigt
eine Isolationskopplung gemäß der Erfindung,
mit der eine Stromsignalinformation, die in einer Stromschleife
vorliegt, in einen galvanisch isolierten Schaltkreis überführt wird.
Die Stromschleife führt
einen Strom, dessen Stärke
den Wert einer zu messenden Variablen wiedergibt. Die Erfindung
ist insbesondere geeignet zur Verwendung bei Stromsignalen eines
dynamischen Nullsignals. Das Stromsignal eines dynamischen Nullsignals
entspricht dem Minimalwert des Stromsignals von 4 mA. Dieses Stromsignal
hat den Vorteil, dass ein möglicher
Fehler, der in der Stromschleife oder beim Messsensor oder beim
Transmitter auftritt, detektiert werden kann da die Stärke des
Stromsignals auf 0 Ampere abfällt.
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Eine
Isolationskopplung gemäß der Erfindung
weist einen Widerstand R1 auf, einen Operationsverstärker A1
und eine transmittierende LED, die LED1 des Optoisolators 1, in
Reihe mit der Stromschleife. Der Optoisolator kann beispielsweise
vom Typ IL300 sein, hergestellt von Siemens, mit zwei empfangenden
PIN-Dioden. Ein erster Pol 3 des Widerstandes R1 ist mit der Stromschleife
verbunden, sodass die Stromrichtung der Stromschleife von der Schleife
zum Widerstand R1 verläuft.
Der zweite Pol 2 des Widerstandes ist mit dem positiven Spannungszuführpunkt
V+ des Operationsverstärkers
A1 verbunden, der mit dem positiven Eingang Uin+ des Operationsverstärkers verbunden
ist. Der Widerstand A1 wird verwendet, um die Stärke des Schleifenstromes aufgrund
des Spannungsabfalles über dem
Widerstand zu messen. Ist beispielsweise der Widerstand 100 Ohm,
beträgt
der Spannungsabfall 0,4...2 Volt, in Abhängigkeit von der Stärke des Schleifenstromes.
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Nach
der Erfindung weist die Kopplung auch eine Zenerdiode Z auf und
einen Kondensator C1, die parallel geschaltet sind zwischen den
positiven und negativen Spannungszuführpunkten des Operationsverstärkers. Die
Kopplung wird so implementiert, dass die Kathode der Zenerdiode
mit dem positiven Spannungszuführpunkt
V+ verbunden ist. Da der Eingangsstrom des Operationsverstärkers typischerweise
wesentlich schwächer
ist als der minimale Strom in der Schleife, fließt der Stromüberschuss über die
Zenerdiode. Zusammen mit dem Kondensator C1, der als ein Filterkondensator
dient, bildet also die Zenerdiode eine stabilisierte Spannungsquelle
für den
Operationsverstärker
A1. Die Spannungstoleranzen der Zenerdiode können zum Beispiel bei 3,3 Volt
liegen, womit die Versorgungsspannung des Operationsverstärkers auch
bei 3,3 Volt liegt.
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Gemäß der Erfindung
ist ein Widerstand R2, dessen zweiter Pol auch mit dem ersten Pol
3 des Widerstandes R1 verbunden ist, an den negativen Eingang des
Operationsverstärkers
A1 angeschlossen. An den Pol des Widerstandes R2, der mit dem Operationsverstärker verbunden
ist, ist auch die Kathode der ersten empfangenden PIN-Diode PIN1 des Optoisolators
angeschlossen. Die Anode dieser PIN-Diode ist ihrerseits mit der
Kathode der transmittierenden LED, LED1, des Optoisolators verbunden wie 1 zeigt.
Eine Fotodiode LED2 ist an den Ausgang Alout des Operationsverstärkers A1
angeschlossen, sodass die Anode der Fotodiode an den Ausgang und
die Kathode an die Kathode der transmittierenden LED, LED1 angeschlossen
sind.
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Die
Eingangspole des Operationsverstärkers A1
sind verbunden, um den Spannungsabfall entsprechend dem Schleifenstrom
in dem Widerstand R1 zu vergleichen und im Widerstand 2 wird
ein Spannungsabfall, der durch den Strom der PIN-Diode PIN1 verursacht
wird, als Rückkopplung
im Optoisolator verwendet. Es ist eine Eigenschaft des Operationsverstärkers, die
Ausgangsspannung auf ein Maximum zu erhöhen, wenn die Spannung des
positiven Eingangs Uin+ die Spannung am negativen Eingang Uin- überschreitet.
Wohingegen in dem Falle, in dem die Spannung am negativen Eingang
höher ist, die
Spannung des Ausgangs einen Minimalwert annimmt. Aufgrund der Rückkoppelung
ist die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers immer
0 Volt und dementsprechend sind die Spannungen über den Widerständen R1
und R2 gleich. Der Zustand des Verstärkerausgangssignals hängt vom
Differenzpotential zwischen den Eingangspolen des Verstärkers ab,
so dass der Verstärker über die
transmittierende LED, LED1 des Optoisolators nur einen Strom zulässt, der
eine Größe hat, um
die Spannungsverluste in den oben erwähnten Widerständen aneinander
anzugleichen, und zwar innerhalb der Grenzen der Toleranz des Verstärkers.
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Somit
kann der Anteil (des Stroms) der durch die lichtemittierende Diode
LED1 des Obtoisolators 1 fließt, mit dem Operationsverstärker A1
gesteuert werden. Steigt der Ausgangspegel des Verstärkers in positiver
Richtung, in Bezug auf die negative Versorgungsspannung des Verstärkers, an,
so steigt auch der Strom, der durch die anzeigende LED2 fließt an, welche
mit dem Ausgang des Verstärkers
verbunden ist und die transmittierende LED des Optoisolators überbrückt. Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, kann die anzeigende LED2 durch einen geeigneten Widerstand
oder Dioden ersetzt sein. PIN-Dioden, die in Optoisolatoren verwendet
werden, arbeiten so, dass durch die Wirkung des von der transmittierenden
LED emittierten Lichtes ein Strom in umgekehrter Richtung durch
die PIN-Diode fließt.
Die Stärke
des Stroms ist proportional der Intensität des von der transmittierenden
LED emittierten Lichtes, wobei die Lichtintensität ihrerseits proportional ist
zu der Stärke
des Stromes durch die transmittierende LED. Somit stellt sich der
interne Lichtpegel des Optoisolators immer so ein, dass der Strom
der PIN-Diode PIN1 sehr nahe dem Schleifenstrom folgt, jedoch in
einem Maße
geringer ist entsprechend dem Verhältnis der inversen Werte der Widerstände. Beträgt der Widerstand
R1 100 Ω,
wie oben erwähnt,
und der Beträgt
der Widerstand R2 10 kΩ,
so beträgt
der Strom der PIN-Diode
PIN1 ein hundertstel des Schleifenstromes. Für die vorliegende Erfindung
ist es wichtig, dass die Widerstände
R1 und R2 genau in Bezug zueinander eingestellt sind.
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Somit
funktioniert die Kopplung gemäß der Erfindung
so, dass dann, wenn der Schleifenstrom durch den Widerstand R1,
den Operationsverstärker A1
und die transmittierende LED LED1 fließt, ein Spannungsabfall in
dem Widerstand R1 erzeugt wird und gleichzeitig das Potential am
positiven Eingang des Operationsverstärkers sich ändert. Aufgrund dieser Änderung
des Potentials reagiert der Operationsverstärker durch Änderung der Größe seines
Ausganges A1out, und errichtet somit gleichzeitig mehr oder weniger
Strom in die Schleife, welcher auf der anzeigenden LED, LED2, basiert.
Gleichzeitig erzeugt der durch die Reihenverbindung fließende Strom
in der transmittierenden LED des Optoisolators einen bestimmten
Lichtpegel, der proportional ist zur Stärke des Stroms, wodurch der
Widerstand R2 einen Strom durchlässt
mit einer Stärke,
die die Spannungsdifferenz zwischen den positiven und negativen
Eingängen
des Optoisolators aufhebt. Die Schaltung gemäß der Erfindung liefert also
in Kombination mit der Stromschleife exakt das gewünschte Ergebnis,
wodurch der Strom durch die PIN-Diode genau bekannt ist.
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Der
Optoisolator gemäß der Erfindung
weist zwei empfangende PIN-Dioden PIN1, PIN2 auf, die beide in gleicher
Weise auf das Licht reagieren, das von der transmittierenden LED1
ausgesendet wird. Nach der Erfindung wird die PIN-Diode PIN1 als Rückkopplung
für den
Operationsverstärker
A1 verwendet, und die PIN-Diode PIN2 wird verwendet zur Bereitstellung
der gewünschten
galvanischen Isolation von dem Stromschleifen Kreis.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung weist der Schaltkreis, der galvanisch von der Stromschleifenschaltung
getrennt ist, neben der PIN-Diode PIN2 einen Operationsverstärker A2
auf und ein Widerstand R3 ist zwischen die Annode der PIN-Diode und dem Erdpotential
des isolierten Schaltkreises geschaltet. Die Annode ist auch mit
der positiven Eingangsspannung Uin+ des Operationsverstärkers A2
verbunden. Die Kathode der PIN-Diode hingegen ist mit dem positiven
Spannungszuführpunkt
V+ des Operationsverstärkers
A2 verbunden, welcher seinerseits mit der Betriebsspannung Vd des isolierten
Schaltkreises verbunden ist.
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Der
Operationsverstärker
wird eingesetzt, um eine Spannungsfolgekopplung zu bilden, und zwar
durch Koppelung des negativen Spannungseinganges Uin- direkt mit
dem Ausgang A2out. Die Kopplung weist auch einen Kondensator C2
auf, der zwischen die Betriebsspannung und das Erdpotential geschaltet
ist und dazu dient, einen Filter-Kondensator für die Betriebsspannung zu bilden.
Weiterhin ist die negative Zuführspannung
des Operationsverstärkers
an das Erdpotential des Kreises angeschlossen.
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Mit
einer derartigen Kopplung ist es möglich, die Strominformation
in der Stromschleife in einen Spannungspegel in einem Schaltkreis
zu transformieren, der galvanisch von der Stromschleife getrennt
ist. Es wird ein Strom erzeugt, der genau die gleiche Stärke hat
wie ein durch die Rückkoppelungs-PIN-Diode
PIN1 fließender,
und zwar in der PIN-Diode PIN2 des isolierten Schaltkreises. Der
Widerstand in dem isolierten Schaltkreis sollte genau angepasst
sein an die Widerstände
in dem Stromschleifenschaltkreis. Der Widerstand R3 sollte genau der
Summe der Widerstände
R1 und R2 entsprechen. Die Widerstandswerte sind: R1 = 100 Ω, R2 = 10
kΩ, wobei
der Widerstand R3 10,1 kΩ beträgt. Das
oben erläuterte
konstante Stromsignal erzeugt somit eine Spannung Vd am Ausgang
A2out des Operationsverstärkers
A2, wobei die Spannung entsprechend dem Schleifenstrom in einem
Bereich von 0,4...2,0 Volt variiert.
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Der
Operationsverstärker
A2 dient auch zum Puffern der Spannung auf einen brauchbaren Impedanzpegel.
Wird das von dem Stromschleifenkreis galvanisch iso lierte Signal
in einem Schaltkreis mit extrem hoher Impedanz verwendet, ist der
Verstärker A2
nicht notwendig.
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Es
versteht sich für
den Fachmann, dass mit fortschreitender Technik die grundlegende
Idee der Erfindung in unterschiedlichen Ausführungsformen implementiert
werden kann. Somit sind die Erfindung und ihre Ausführungsformen
nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern können
im Rahmen der Ansprüche
variieren.