NL9201111A

NL9201111A - Method for discriminating between the high and low impedance state of a switching element

Info

Publication number: NL9201111A
Application number: NL9201111A
Authority: NL
Original assignee: Waters Beheer B V
Priority date: 1992-06-24
Filing date: 1992-06-24
Publication date: 1994-01-17

Abstract

The device according to the invention comprises a transformer, whose first winding is connected in parallel with the switching element to be measured. Connected in series with a second winding of the transformer is a resistor. Upstream of the resistor, first means are connected for supplying an electrical pulse to the second winding of the transformer by means of the resistor. Connected downstream of the resistor are second means for detecting the response to the electrical pulse supplied. The second means can be provided with a pulse detection element. If a pulse is measured by the pulse detection element while the pulse is applied, the switching element is in the high impedance state. Preferably, the second means comprise a comparison element, and a capacitor is connected in parallel with the first winding of the transformer. If the comparison element, after termination of the pulse applied, detects a damped LC oscillation, the switching element is in the high impedance state. To further damp the damped LC oscillation, provision can be made for a resistor connected in parallel to the first winding of the transformer and the capacitor. Also, the comparison element preferably compares the first wave prior to a first zero crossing of the damped LC oscillation with a reference voltage.

Description

Korte aanduiding: Inrichting voor het discrimineren van de hoge en lage impedantietoestand van een schakelorgaan.Short designation: Device for discriminating the high and low impedance states of a switch member.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het discrimineren van de hoge en lage impedantietoestand van een schakelorgaan, omvattende een transformator.The invention relates to a device for discriminating the high and low impedance states of a switch member, comprising a transformer.

Een dergelijke inrichting is in de techniek algemeen bekend.Such a device is generally known in the art.

Zij bezit een optisch koppelorgaan met een lichtuitzendende diode en fototransistor voor koppeling met respectievelijk enerzijds het schakelorgaan en anderzijds middelen voor het detecteren van het uitgangssignaal van de fotodiode. Om bij gesloten schakelorgaan, dat wil zeggen in de lage impedantietoestand, de lichtuitzendende diode aan te sturen, moet aan het schakelorgaan een spanning worden aangelegd of een stroom worden toegevoerd. Daarbij moet een transformator of gelijkstroom-gelijkstroomomzetter worden toegepast, teneinde net zoals in het geval van het optische koppelorgaan galvanische scheiding te garanderen.It has an optical coupling member with a light-emitting diode and a phototransistor for coupling to the switching element on the one hand and means for detecting the output of the photodiode on the other. In order to drive the light-emitting diode when the switch member is closed, i.e. in the low impedance state, a voltage must be applied to the switch member or a current applied. In addition, a transformer or DC-DC converter must be used to ensure galvanic isolation, as in the case of the optical coupler.

Het bovenstaande houdt in dat de bekende inrichting omvangrijk is en betrekkelijk veel vermogen vraagt, en het moeilijk kan zijn een grote galvanische scheiding te verwezenlijken, bijvoorbeeld in het geval van de genoemde gelijkstroom-gelijkstroomomzetter, waarvan de galvanische scheiding in het algemeen kleiner dan 1,5 kV is.The above implies that the known device is bulky and requires a relatively large amount of power, and it can be difficult to achieve a large galvanic isolation, for example in the case of the said DC-DC converter, whose galvanic isolation is generally less than 1, Is 5 kV.

De uitvinding beoogt de bekende inrichting zodanig te verbeteren dat deze compact is, voorziet in een grote galvanische scheiding, goedkoop is en weinig vermogen vraagt, zodat deze bijvoorbeeld direkt door een microprocessor of bus kan worden bedreven.The object of the invention is to improve the known device in such a way that it is compact, provides a large galvanic isolation, is inexpensive and requires little power, so that it can for instance be operated directly by a microprocessor or bus.

De uitvinding voorziet daartoe in een inrichting van de in de aanhef genoemde soort, die het kenmerk heeft, dat het schakelorgaan parallel aan een eerste wikkeling van de transformator is verbonden en er voorts is voorzien in een in serie met een tweede wikkeling van de transformator verbonden weerstand, vóór de weerstand geschakelde eerste middelen voor het door middel van de weerstand aan de tweede wikkeling toevoeren van een elektrische puls en na de weerstand geschakelde tweede middelen voor het detecteren van de responsie op de toegevoerde elektrische puls.The invention provides for this purpose a device of the type mentioned in the preamble, characterized in that the switching element is connected in parallel with a first winding of the transformer and there is further provided a series connected with a second winding of the transformer. resistor, first means connected before the resistor for supplying an electric pulse to the second winding by means of the resistor and second means connected after the resistor for detecting the response to the supplied electric pulse.

De voorgestelde inrichting kan compact en goedkoop zijn, omdat een hoogfrequente IC-transformator kan worden toegepast en er geen hulp- stroom of hulpspanning aan het schakelorgaan hoeft te worden toegevoerd of aangelegd. Het vermogensverbruik is laag, omdat pulsgewijs vermogen wordt toegevoerd. De galvanische scheiding kan groot zijn, omdat deze uitsluitend door de transformator wordt bepaald en gemakkelijk 4 kV kan bedragen. Een verder geboden voordeel van het gepulseerde bedrijf en de daardoor mogelijke discontinue meting is een betere storingsongevoeligheid.The proposed device can be compact and inexpensive because a high-frequency IC transformer can be used and no auxiliary current or auxiliary voltage needs to be applied or applied to the switch member. The power consumption is low, because pulse power is supplied. The galvanic isolation can be great, because it is determined exclusively by the transformer and can easily amount to 4 kV. A further advantage of the pulsed operation and the consequent possible discontinuous measurement is a better insensitivity to interference.

De tweede middelen kunnen een pulsdetectie-orgaan omvatten, dat detecteert of de aan de weerstand toegevoerde puls ook na de weerstand aanwezig is. Dit houdt in dat gedurende de puls moet worden gemeten, waar natuurlijk voldoende tijd voor beschikbaar moet zijn. Deze uitvoeringsvorm werkt het best bij korte kabellengte, d.w.z. geringe kabelcapaciteit parallel aan de eerste wikkeling van de transformator.The second means may comprise a pulse detecting means which detects whether the pulse applied to the resistor is also present after the resistor. This means that measurements must be made during the pulse, for which of course sufficient time must be available. This embodiment works best with short cable length, i.e. low cable capacity parallel to the first winding of the transformer.

Meer de voorkeur hebbend, omvat de voorgestelde inrichting verder een parallel aan het schakelorgaan en de eerste wikkeling van de transformator verbonden condensator voor het in de tweede wikkeling van de transformator als de responsie opwekken van een LC-oscillatie en zijn de tweede middelen voorzien van een vergelijkingsorgaan voor het vergelijken van de LC-oscillatie met een referentiespanning.More preferably, the proposed device further includes a capacitor connected parallel to the switch member and the first winding of the transformer for generating an LC oscillation in the second winding of the transformer and the second means includes a comparator for comparing the LC oscillation with a reference voltage.

In dit geval wordt na de elektrische puls gemeten en kan de tijdsduur van het aanleggen van de puls korter zijn, zodat minder vermogen is vereist. Afhankelijk van de transformator en condensator kan de elektrische puls een duur van enkele tot enkele tientallen ys hebben, terwijl bijvoorbeeld gedurende een tiental με de puls kan worden gemeten, dit alles met mogelijk een frequentie van 50 metingen per seconden.In this case, after the electrical pulse is measured, the pulse application time may be shorter, so less power is required. Depending on the transformer and capacitor, the electric pulse can have a duration of a few to a few tens of ys, while, for example, the pulse can be measured for ten με, all with a possible frequency of 50 measurements per second.

Bij voorkeur is het vergelijkingsorgaan ingericht om de eerste golf van de LC-oscillatie vóór een eerste nuldoorgang met de referentiespanning te vergelijken. Dit verhoogt de betrouwbaarheid en de storingsongevoeligheid. Deze kunnen nog in hogere mate worden verbeterd door de LC-oscillatie verder te dempen door toepassing van een weerstand parallel aan het schakelorgaan, de eerste wikkeling van de transformator en de condensator. De pulsherhalingsfrequentie kan dan worden verhoogd.Preferably, the comparator is arranged to compare the first wave of the LC oscillation with the reference voltage before a first zero crossing. This increases reliability and immunity to failure. These can be improved even further by further damping the LC oscillation by using a resistor parallel to the switch member, the first winding of the transformer and the capacitor. The pulse repetition frequency can then be increased.

Een microcontroler of microprocessor kan worden gebruikt voor het aansturen en lezen door middel van een databus. Met een 8-bit databus kunnen 8 schakelorganen worden aangestuurd en gelezen onder programma-besturing. Hardware-implementatie is natuurlijk ook mogelijk, bijvoorbeeld onder gebruikmaking van een oscillator en latch.A microcontroler or microprocessor can be used to control and read through a data bus. With an 8-bit data bus, 8 switching devices can be controlled and read under program control. Hardware implementation is of course also possible, for example using an oscillator and latch.

De uitvinding zal nu nader aan de hand van de tekening bestaande uit een enkele figuur die een uitvoeringsvorm toont van de voorgestelde inrichting nader worden beschreven.The invention will now be described in more detail with reference to the drawing consisting of a single figure, which shows an embodiment of the proposed device.

Zoals gezegd, gaat het om een inrichting voor het discrimineren van de hoge en lage impedantietoestand van een schakelorgaan, bijvoorbeeld een transistor of een schakelcontact, dat respectievelijk open of dicht kan zijn en al dan niet spanningsvoerend kan zijn. Het schakelorgaan is in de figuur met het verwijzingscijfer 1 aangegeven. De inrichting omvat een transformator, die in de figuur met het verwijzingscijfer 2 is aangegeven, en kan bestaan uit een ferrietkern met twee wikkelingen, met wikkelverhou-ding 1:1 en in de vorm van een hoogfrequente IC-transformator, bijvoorbeeld de NP5413 van Nanopulse Industries, Incorporated die gewoonlijk als datalijnaanstuurtrafo wordt gebruikt. Het schakelorgaan 1 is parallel aan de eerste wikkeling 22 van de transformator 2 verbonden. Verder is er voorzien in een in serie met de tweede wikkeling 22 van de transformator 2 verbonden weerstand 3. Weerstand 3 dient om kortsluiting van de eerste middelen 4 bij gesloten schakelorgaan 1 te voorkomen. Vóór de weerstand 3 zijn eerste middelen 4 geschakeld voor het aan de tweede wikkeling 22 via de weerstand 3 toevoeren van een elektrische puls, terwijl na de weerstand 3 tweede middelen 5 zijn geschakeld voor het detecteren van de responsie op de toegevoerde elektrische puls.As stated, this is a device for discriminating the high and low impedance states of a switching member, for example a transistor or a switching contact, which can be open or closed, respectively, and which can be voltage-carrying. The switching member is indicated by reference numeral 1 in the figure. The device comprises a transformer, which is indicated by the reference numeral 2 in the figure, and can consist of a two-winding ferrite core, with a winding ratio of 1: 1 and in the form of a high-frequency IC transformer, for example the NP5413 from Nanopulse Industries, Incorporated commonly used as a data line driving transformer. The switch member 1 is connected parallel to the first winding 22 of the transformer 2. Furthermore, a resistor 3 connected in series with the second winding 22 of the transformer 2 is provided. Resistor 3 serves to prevent short-circuiting of the first means 4 when the switch 1 is closed. Before the resistor 3, first means 4 are connected for supplying an electric pulse to the second winding 22 via the resistor 3, while after the resistor 3, second means 5 are connected for detecting the response to the supplied electric pulse.

Wanneer door de eerste middelen 4 een elektrische puls via weerstand 3 aan de tweede wikkeling 22 wordt aangelegd en contact 1 is gesloten, zal er op het knooppunt tussen weerstand 3 en tweede wikkeling 22 geen puls staan, hetgeen door de tweede middelen 5 die dan een (niet getoond) pulsdetectie-orgaan omvatten, wordt gedetecteerd. In het tegengestelde geval, dat wil zeggen met open schakelorgaan 1, zal de puls wel door de tweede middelen 5 worden gedetecteerd, waarbij aldus kan worden gediscrimineerd tussen de hoge en lage impedantietoestand van het schakelorgaan 1.When an electric pulse is applied to the second winding 22 via resistor 3 by the first means 4 and contact 1 is closed, there will be no pulse at the junction between resistor 3 and second winding 22, which is then generated by the second means 5 pulse detector (not shown) is detected. In the opposite case, i.e. with open switch member 1, the pulse will be detected by the second means 5, thus discriminating between the high and low impedance states of the switch member 1.

Bij deze uitvoeringsvorm dient de pulsbreedte betrekkelijk lang te zijn, waardoor relatief veel vermogen wordt gedissipeerd, omdat tijdens de elektrische puls moet worden gemeten. Bovendien mag de parasitaire kabelcapaciteit parallel aan de eerste wikkeling 21 niet al te groot zijn.In this embodiment, the pulse width should be relatively long, which means that a relatively large amount of power is dissipated, because measurements must be made during the electrical pulse. In addition, the parasitic cable capacity parallel to the first winding 21 may not be too great.

De in de figuur als geheel weergegeven uitvoeringsvorm heeft dan ook de voorkeur. Bij deze uitvoeringsvorm is parallel aan het schakel- orgaan 1 en de eerste wikkeling 21 een condensator 7 verbonden, terwijl de tweede middelen 5 in plaats van het (niet getoonde) pulsdetectie-orgaan een vergelijkingsorgaan 6 omvatten voor het met een referentiespanning Vref vergelijken van het signaal op het knooppunt tussen weerstand 3 en wikkeling 22 om een volgens een e-macht gedempte LC-oscillatie te detecteren, die na beëindiging van de door de eerste middelen 4 aangelegde elektrische puls bij geopend schakelorgaan 1 wordt opgewekt door door de elektrische puls opgeladen condensator 7 en eerste wikkeling 21. Transformator 2 mag daarbij niet in de verzadiging worden gestuurd.The embodiment shown in the figure as a whole is therefore preferred. In this embodiment, a capacitor 7 is connected in parallel to the switching member 1 and the first winding 21, while the second means 5, instead of the pulse detection member (not shown), comprises a comparator 6 for comparing the reference voltage Vref with the reference voltage Vref. signal at the node between resistor 3 and winding 22 to detect an e-power damped LC oscillation, which is generated by the capacitor charged by the electric pulse after the electric pulse applied by the first means 4 has ended 7 and first winding 21. Transformer 2 must not be driven into saturation.

Het essentiële verschil met de eerste uitvoeringsvorm is, dat na aanlegging van de elektrische puls door de eerste middelen 4, door de tweede middelen 5 de gedempte LC-oscillatie wordt gedetecteerd, waarbij de parasitaire kabelcapaciteit bij de capacitiet van condensator 7 wordt opgeteld, zodat deze in alle praktische gevallen niet verstorend zal werken.The essential difference with the first embodiment is that after the application of the electric pulse by the first means 4, the damped LC oscillation is detected by the second means 5, the parasitic cable capacity being added to the capacitance of capacitor 7, so that it will not be disruptive in all practical cases.

De capaciteitswaarde van condensator 7 kan bijvoorbeeld 100 nF zijn. Een extreme kabelcapaciteitswaarde bedraagt 100 nF, en een extreme kabelweerstand 100 Ω. In een prototype werd in serie met het schakelorgaan 1 een weerstand van 100 Ω verbonden en voor condensator 7 een van 200 nF genomen. Een puls van 5 V leverde een LC-oscillatie met een spanning van piek tot piek van 0,4 V. Voor het vergelijkingsorgaan 6 werd een comparator LM 293 van National Semiconductor toegepast, terwijl Vref op 0,1 V was ingesteld. Bij de genoemde LC-oscillatie kan dat aan de uitgang van de comparator worden gedetecteerd.For example, the capacitance value of capacitor 7 can be 100 nF. An extreme cable capacitance value is 100 nF, and an extreme cable resistance is 100 Ω. In a prototype, a resistance of 100 Ω was connected in series with the switch member 1 and a capacitor 7 of 200 nF was taken. A 5 V pulse produced an LC oscillation with a peak-to-peak voltage of 0.4 V. For comparator 6, a National Semiconductor comparator LM 293 was used, while Vref was set at 0.1 V. In the said LC oscillation, this can be detected at the output of the comparator.

De LC-oscillatie kan nog verder worden gedempt door het aanbrengen van een weerstand 8 parallel aan de eerste wikkeling 21, het schakelorgaan 1 en de condensator 7.The LC oscillation can be damped even further by arranging a resistor 8 parallel to the first winding 21, the switching member 1 and the capacitor 7.

Bij voorkeur is het vergelijkingsorgaan 6 ingericht om de eerste golf van de LC-oscillatie vóór een eerste nuldoorgang met de referentiespanning Vref te vergelijken. Daardoor is de detectie- of meettijd kort en derhalve de detectie of meting storingsongevoeliger.Preferably, the comparator 6 is arranged to compare the first wave of the LC oscillation before a first zero crossing with the reference voltage Vref. As a result, the detection or measuring time is short and therefore the detection or measurement is less sensitive to interference.

De vermogensniveaus zijn zo laag dat een microcontroler of microprocessor kan worden gebruikt voor het via een uitgangstransistor aanleggen van de elektrische puls aan de weerstand 3 en via een databus lezen van het uitgangssignaal van het vergelijkingsorgaan 6.The power levels are so low that a microcontroler or microprocessor can be used to apply the electrical pulse to resistor 3 via an output transistor and read the output of comparator 6 via a data bus.

Een toepassingsmogelijkheid is in een gebouwbeheersysteemnetwerk waarin bijvoorbeeld om de 20 ms wordt gecontroleerd of een drukschakelaar wordt ingedrukt, waarbij in het bevestigende geval dit door een micro-controler of microprocessor zal worden gedetecteerd, die dan bijvoorbeeld een lichtbron aanschakelt.An application possibility is in a building management system network in which, for example, every 20 ms is checked whether a pressure switch is pressed, in the affirmative case this will be detected by a micro-controller or microprocessor, which then switches on, for example, a light source.

Claims

Device for discriminating the high and low impedance states of a switching member, comprising a transformer, characterized in that the switching member is connected in parallel with a first winding of a transformer and a series in series with a second winding of the transformer connected resistor, first means connected before the resistor for supplying an electric pulse by means of the resistor to the second winding and second means connected after the resistor for detecting the response to the supplied electric pulse.

Device as claimed in claim 1, characterized in that the second means comprise a pulse detecting member.

Apparatus according to claim 1, characterized in that it further comprises a capacitor connected parallel to the switch member and the first winding of the transformer for generating an LC oscillation in the second winding of the transformer and the second means includes a comparator for comparing the LC oscillation with a reference voltage.

Device according to claim 3, characterized in that the comparator is adapted to compare the first wave of the LC oscillation with the reference voltage before a first zero crossing.

Device according to claim 3 or 4, characterized in that a resistor for damping the LC oscillation is connected parallel to the switch member, the first winding of the transformer and the capacitor. Eindhoven, June 1992.