DE20013501U1 - Schaltungsanordnung zum Anschließen eines Sensors oder Aktuators an eine Busleitung - Google Patents

Description

Richard Hirschmann GmbH & Co.
D-72654 Neckartenzlingen

Schaltungsanordnung zum Anschließen eines Sensors oder Aktuators an eine Busleitung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Schaltungsanordnungen finden bei Bussystemen zur Steuerung von Sensoren und Aktuatoren Anwendung. Ein derartiges, nach dem Master-Slave-Prinzip arbeitendes Bussystem stellt das AS-i Bussystem (Aktuator-Sensor-Interface Bussystem) dar. Der Master ist beispielsweise von einer SPS Steuerung mit einer entsprechenden Master-Anschaltung gebildet. An diesen Master sind über Busleitungen Sensoren und/oder Aktuatoren angeschlossen. Die Sensoren sind von Lichtschranken, Näherungsschaltern und dergleichen gebildet und übermitteln über die Busleitungen Sensorsignale an den Master. Umgekehrt sendet der Master Signale über die Busleitung an die Sensoren, beispielsweise um deren Betriebsparameter zu ändern. Die Aktuatoren sind von Magnetventilen, Hubmagneten oder dergleichen gebildet, die durch vom Master ausgesendete Signale angesteuert werden.

Die Busleitungen des AS-i Bussystems sind von Zweidrahtleitungen gebildet. Die Sensoren und Aktuatoren sind über die Busleitungen beliebig verzweigt an den Master angeschlossen. Der gesamte Betrieb des Bussystems wird über den Master gesteuert. Hierzu fragt der Master die Slaves bildenden, angeschlossenen Sensoren und/oder Aktuatoren zyklisch ab, worauf die einzelnen Slaves Antwortsignale an den Master senden.

Die Anschlüsse herkömmlicher Sensoren und Aktuatoren sind für einen direkten Anschluss an die Busleitungen nicht geeignet, so dass diese über Anwendermodule an die Busleitungen angeschlossen sind. Im einfachsten Fall ist jeweils ein Anwendermodul an einen Sensor oder Aktuator angeschlossen.
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Über die Busleitungen wird neben den Daten zur Übertragung der einzelnen Signale auch die Versorgungsspannung übertragen, welche die Energieversorgung der angeschlossenen Sensoren und/oder Aktuatoren sicherstellt.

Problematisch hierbei ist, dass im allgemeinen der Wert der Versorgungsspannung nicht exakt mit den Spannungen übereinstimmt, für welche die Sensoren und/oder Aktuatoren ausgelegt sind. Typischerweise sind derartige vorzugsweise binäre Sensoren für Nennspannungen von 24 Volt Gleichspannung angelegt. Durch die Energieversorgung des AS-i Bussystems werden jedoch Nominalspannungen im Bereich von etwa 28-31 Volt zur Verfügung gestellt, die erheblich höher liegen.

Da ein Anschluss von für 24 Volt ausgelegte Sensoren oder Aktuatoren an Versorgungsspannungen von bis zu 31 Volt nicht zulässig ist, wird die Versorgungsspannung im Anwendermodul durch geeignete Schaltungsanordnungen auf die zulässigen Werte reduziert.

Im einfachsten Fall ist diese Schaltungsanordnung so ausgebildet, dass das Produkt der Differenzspannung, um welche die Versorgungsspannung zu reduzieren ist, und des Verbraucherstroms für den jeweiligen Sensor oder Aktuator in Wärme umgesetzt wird. Problematisch hierbei ist, dass die Verbraucherströme typischerweise relativ hohe Werte, die oberhalb von 200 mA liegen können, annehmen. Dann wird die erzeugte Wärme im Anwendermodul so groß, dass diese nicht mehr über die Oberfläche des Anwendermoduls abgeführt werden kann. Die Innentemperatur des Anwendermoduls steigt daher auf unzulässige Werte an.

Zur Vermeidung einer derartigen Wärmeentwicklung können zur Reduktion der Versorgungsspannung verlustleistungsarm arbeitende, als Schaltregler ausgebildete Spannungsregler verwendet werden. Damit Verfälschungen bei der Datenübertragung vermieden werden benötigen derartige Spannungsregler eine gesiebte Eingangsspannung. Dann jedoch müssen dem Spannungsregler Drosseln vorgeschaltet werden.

Die Drosseln weisen jedoch für die typischen Verbraucherströme eine unerwünscht große Baugröße auf. Da mit fortschreitender Miniaturisierung insbe-] 0 sondere auch für die Anwendermodule kleine Baugrößen gefordert werden, ist ein Einbau derartiger Drosseln problematisch.

Aus der EP 0 811 276 Bl ist eine Schaltungsanordnung für ein Anwendermodul bekannt, bei welcher die Induktivität eines daran angeschlossenen Aktuators als Entkoppelungsdrossel verwendet wird.

Mit einer derartigen Schaltungsanordnung kann prinzipiell ein Spannungsregler im Anwendermodul eingesetzt werden, ohne dass dort dem Spannungsregler weitere Drosseln vorgeordnet sind.

Nachteilig hierbei ist jedoch, dass derartige Anwendermodule nicht universell für Sensoren und Aktuatoren eingesetzt werden können, sondern nur für Aktuatoren wie zum Beispiel Magnetventile, die hinreichend große Induktivitäten aufweisen. Zudem ist erforderlich, dass die Magnete derartiger Aktuatoren an die Versorgungsspannung angepasste Nennspannungen aufweisen, was bei herkömmlichen Aktuatoren nicht der Fall ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, welche bei geringem Bauvolumen der benötigten Komponenten eine Anpassung der Versorgungsspannung des Bussystems an die Nennspannungen der angeschlossenen Sensoren und/oder Aktuatoren ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß ist zur Einstellung der über eine Busleitung zur Verfügung gestellten Versorgungsspannung des Bussystems im Anwendermodul ein dem angeschlossenen Sensor oder Aktuator vorgeordnetes kapazitives Element mit diesem zugeordneten Schaltmitteln vorgesehen. Mittels der Schaltmittel wird die Polarität des kapazitiven Elements periodisch verändert.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, die als Gleichspannung vorliegende, über die Busleitung zur Verfügung gestellte Versorgungsspannung durch ein periodisches Umpolen des vorzugsweise von einem Kondensator gebildeten kapazitiven Elements einzustellen. Dabei wird das kapazitive EIement vorzugsweise mit einer vorgegebenen Schaltfrequenz fortlaufend oder während vorgegebener Zeitintervalle umgepolt. Durch ein derartiges Umpolen des kapazitiven Elements wird der mit diesem in Reihe geschaltete Sensor oder Aktuator von einem Gleichstrom durchflossen, dem ein Wechselstromanteil überlagert ist. Durch die Einstellung der Dauer der Zeitintervalle, innerhalb derer die Umpolung erfolgt, kann der Wechselstromanteil in Bezug auf den Gleichstromanteil eingestellt werden. Schließlich kann zur Einstellung der Versorgungsspannung des jeweiligen Sensors oder Aktuators die Schaltfrequenz der Umpolung verändert werden.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Einstellung der Versorgungsspannung im Anwendermodul auf eine vorgegebene Nennspannung eines anzuschließenden Sensors oder Aktuators ohne eine nennenswerte Wärmeentwicklung erfolgt. Zudem werden zur Einstellung der Versorgungsspannung keine Spannungsregler mit vorgeordneten Drosseln benötigt, so dass die benötigten Komponenten zur Einstellung der Versorgungsspannung einen geringen Platzbedarf beanspruchen. Die Baugröße des Anwendermoduls kann dementsprechend gering gehalten werden.

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Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1: Schematische Darstellung eines Sensor-Aktuator-Bussystems mit Anwendermodulen zum Anschluss von Sensoren und/oder Aktua

toren zum Anschluss an eine Busleitung.

Figur 2: Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eines Anwendermoduls gemäß Figur 1.

Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines nach dem Master-Slave Prinzip arbeitenden Sensor-Aktuator-Bussystems. Dieses Bussystem ist im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel als AS-i Bussystem (Aktuator-Sensor-Interface Bussystem) ausgebildet. Der Master des Bussystems ist von einer SPS Steuerung 1 und einer darin integrierten Masteranschaltung gebildet. Die Slaves sind über Busleitungen 2 an den Master angeschlossen und werden von diesem zyklisch abgefragt. Die Busleitungen 2 sind von Zweidrahtleitungen gebildet, über welche Signale für den Datenaustausch zwischen dem Master und den Slaves übertragen werden. Die Signale werden als Datenworte vorgegebener Bitlänge übertragen.

Die Slaves sind von binären Sensoren 3 und Aktuatoren 3' gebildet, wobei die Sensoren 3 als Lichtschranken, Näherungsschalter oder dergleichen gebildet sind. Beispiele für Aktuatoren 3' sind Magnetventile, Hubmagnete oder dergleichen.

Die Sensoren 3 und Aktuatoren 3' sind jeweils über ein Anwendermodul 4 an die Busleitungen 2 angeschlossen. Prinzipiell können auch mehrere Slaves über ein Anwendermodul 4 an die Busleitungen 2 angeschlossen sein. In den An-Wendermodulen 4 werden die über die Busleitungen 2 übertragenen Datenworte in binäre Signale für die Slaves und umgekehrt umgesetzt.

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Bei dem Bussystem werden über die Busleitungen 2 nicht nur die Signale zum Datenaustausch zwischen dem Master und den Slaves übertragen. Zudem wird über die Busleitungen 2 die Versorgungsspannung zur Energieversorgung der Slaves zur Verfügung gestellt.
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Die als Gleichspannung zur Verfugung gestellte Versorgungsspannung, die an den Eingängen der Anwendermodule 4 anliegt, liegt typischerweise im Bereich zwischen 28 und 31 Volt. Die Nennspannungen, mit welchen die Sensoren 3 und Aktuatoren 3' betrieben werden müssen, liegen üblicherweise bei 24 Volt.
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Die in Figur 2 dargestellte Schaltungsanordnung in einem Anwendermodul 4 gewährleistet eine präzise Einstellmöglichkeit der Versorgungsspannung auf die geforderten Nennspannungen der Sensoren 3 oder Aktuatoren 3'.

Figur 2 zeigt schematisch die Einkopplung der in einem Netzteil 5 generierten Versorgungsspannung in das Anwendermodul 4. Das Netzteil 5 ist beispielsweise in dem Master integriert und weist eine Spannungsversorgung 6 auf, die über zwei Drosseln 7, T an die Zweidrahtleitungen der Busleitung 2 gekoppelt ist. Die Versorgungsspannung wird über die Busleitung 2 in das Anwendermodul 4 eingespeist.

An das Anwendermodul 4 ist im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel ein Aktuator 3' wie zum Beispiel ein Magnetventil angeschlossen.

Das Magnetventil weist eine Induktivität 8 sowie einen Kupferwiderstand 9 auf.

Zur Einstellung der über die Busleitung 2 in das Anwendermodul 4 eingespeisten Versorgungsspannung weist dieses ein kapazitives Element mit zugeordneten Schaltmitteln auf, welche dem Verbraucher in einer Reihenschaltung vorgeordnet sind.

Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel besteht das kapazitive Element aus einem einzelnen Kondensator 10. Die Schaltmittel sind von einem ersten und zweiten Schalter 11, 12 gebildet. Die Schalter 11, 12 sind beispielsweise jeweils von Transistoren gebildet. Der erste Schalter 11 ist dem Kondensator 10 vorgeordnet. Dabei ist auf den ersten Schalter 11 eine Leitung 13 geführt, an welcher die über die Busleitung 2 eingekoppelte Versorgungsspannung anliegt. Der zweite Schalter 12 ist dem Kondensator 10 nachgeordnet, wobei von diesem eine zweite Leitung 14 zum Aktuator 3' geführt ist.

Der Kondensator 10 weist zwei Kondensatorplatten auf, wobei auf eine Kondensatorplatte eine dritte Leitung 15 und auf die zweite Kondensatorplatte eine vierte Leitung 16 geführt ist.

Durch Umschalten des ersten Schalters 11 kann die erste Leitung 13 wahlweise mit der dritten oder vierten Leitung 15, 16 verbunden werden.

Durch Umschalten des zweiten Schalters 12 kann die zweite Leitung 14 mit der dritten oder vierten Leitung 15, 16 verbunden werden.

Die Schalter 11,12 werden von einer ersten Steuerschaltung 17 gesteuert. Zudem ist eine zweite Steuerschaltung 18 vorgesehen, welche die Umsetzung der über die Busleitung 2 übertragenen Signale in binäre Signale für den Aktuator 3' bewirkt. Vorzugsweise sind die Steuerschaltungen 17, 18 jeweils von einem integrierten Schaltkreis gebildet.

Die zweite Steuerschaltung 18 steuert zudem einen weiteren Schalter 19 zum Ein- und Ausschalten des Laststromes für den Aktuator. Dem Schalter 19 ist eine Zenerdiode 20 parallel geschaltet, welche für das Öffnen des Schalters 19 benötigt wird.

Erfindungsgemäß wird durch Betätigen der dem Kondensator 10 zugeordneten Schaltmittel der Laststrom durch den Aktuator 3' und damit die an diesem an-

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liegende Versorgungsspannung eingestellt. Vorzugsweise wird die Versorgungsspannung über einen Regelungsprozess auf einen vorgegebenen Wert geregelt,

Zur Einstellung der Versorgungsspannung für den Aktuator 3' wird der Kondensator 10 mit einer vorzugsweise einstellbaren Schaltfrequenz periodisch umgepolt.

Die Umpolung des Kondensators 10 erfolgt durch ein gegenphasiges Schalten der die Schaltmittel bildenden Schalter 11, 12. Dies bedeutet, dass über den ersten Schalter 11 die erste Leitung 13 mit der dritten oder vierten Leitung 15, 16 verbunden ist, wenn die zweite Leitung 14 über den zweiten Schalter 12 mit der jeweils anderen, also der vierten oder dritten Leitung 16, 15 verbunden ist.

Wesentlich hierbei ist, dass der Takt der Schalter 11, 12 so gewählt ist, dass die Polung des Kondensators 10 in den verschiedenen Richtungen symmetrisch erfolgt. Die Umpolung erfolgt daher in einem Tastverhältnis 1:1.

Prinzipiell können die Schalter 11,12 auch gleichphasig geschaltet werden, so dass der Kondensator 10 überbrückt wird und der Aktuator 3' entsprechend mit Gleichstrom gespeist wird.

Ein derartiges gleichphasiges Schalten der Schalter 11, 12 eignet sich insbesondere zum schnellen Einschalten des Laststroms des Aktuators 3'. In einer vorteilhaften Ausfuhrungsform kann dabei auf den den Schaltmitteln vorgeordneten Schalter 19 vollständig verzichtet werden, so dass das Ein- und Ausschalten des Laststromes allein durch die die Schaltmittel bildenden Schalter 11,12 bewerkstelligt wird.

Nach dem Einschalten des Laststromes wird zur Einstellung der Versorgungsspannung durch gegenphasiges Schalten der Schalter 11, 12 der Kondensator 10 periodisch umgepolt.

Prinzipiell kann die Umpolung fortlaufend erfolgen. Besonders vorteilhaft erfolgt die Umpolung nur innerhalb vorgegebener, vorzugsweise einstellbarer Zeitintervalle. Zwischen den einzelnen Zeitintervallen können die Schalter 11, 12 kurzzeitig gleichphasig geschaltet sein. Dadurch ergibt sich als Laststrom im Aktuator 3' ein Gleichstrom, welchem ein Wechselstromanteil überlagert ist. Wesentlich hierbei ist, dass der zeitliche Verlauf des Wechselstromanteils so ausgebildet ist, dass die über die Busleitung 2 übertragenen Daten nicht verfälscht werden. Durch Variation der Zeitintervalle, innerhalb derer die Umpolung des Kondensators 10 erfolgt, ist das Verhältnis des Gleichstromanteils an dem Wechselstromanteil einstellbar.

Des Weiteren wird über die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz der Schalter 11, 12 zur Einstellung der Versorgungsspannung variiert, wobei die Schaltfrequenz typischerweise bei etwa 100 kHz liegt. Durch die relativ groß gewählte Schaltfrequenz kann die Kapazität des Kondensators 10 entsprechend gering dimensioniert werden, wodurch das Bauvolumen des Kondensators 10 entsprechend gering ist.

Die kapazitive Anordnung mit den Schaltmitteln benötigt insgesamt ein geringes Bauvolumen, so dass das Anwendermodul 4 eine entsprechend geringe Baugröße aufweist.

Prinzipiell ist es sogar denkbar, die kapazitive Anordnung mit den Schaltmitteln nicht im Anwendermodul 4 anzuordnen sondern im Stecker des angeschlossenen Sensors 3 oder Aktuators 3' unterzubringen.

Richard Hirschmann GmbH & Co. D-72654 Neckartenzlingen

Bezugszeichenliste	SPS-Steuerung
(D	Busleitung
(2)	Sensor
(3)	Aktuator
(3')	Anwendermodul
(4)	Netzteil
(5)	Spannungsversorgung
(6)	Drossel
(7)	Drossel
(7')	Induktivität
(8)	Kupferwiderstand
(9)	Kondensator
(10)	erster Schalter
(H)	zweiter Schalter
(12)	erste Leitung
(13)	zweite Leitung
(14)	dritte Leitung
(15)	vierte Leitung
(16)	erste Steuerschaltung
(17)	zweite Steuerschaltung
(18)	Schalter
(19)	Zenerdiode
(20)

Claims (15)

1. Schaltungsanordnung mit wenigstens einem über ein Anwendermodul an eine Busleitung angeschlossenen Sensor oder Aktuator, wobei über die Busleitung Daten übertragen werden und der Sensor oder Aktuator mit einer Versorgungsspannung gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Anwendermodul (4) ein dem Sensor (3) oder Aktuator (3') vorgeordnetes kapazitives Element und diesem zugeordnete Schaltmittel aufweist, wobei mittels der Schaltmittel die Polarität des kapazitiven Elements zur Einstellung der Versorgungsspannung periodisch veränderbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kapazitive Element von einem Kondensator (10) gebildet ist, dass die Schaltmittel von einem ersten und zweiten Schalter (11, 12) gebildet sind, wobei an dem ersten, dem Kondensator (10) vorgeordneten Schalter (11) die Versorgungsspannung der Busleitung (2) anliegt und wobei der zweite, dem Kondensator (10) nachgeordnete Schalter (12) an den Sensor (3) oder Aktuator (3') angeschlossen ist, und dass die Schalter (11, 12) zur Umpolung des Kondensators (10) gegenphasig geschaltet sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (10) mit einer vorgegebenen Schaltfrequenz umgepolt wird, wodurch der Sensor (3) oder Aktuator (3') mit einem einem Gleichstrom überlagerten Wechselstrom gespeist ist, dessen Frequenz der Schaltfrequenz entspricht.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umpolung des Kondensators (10) fortlaufend oder innerhalb einstellbarer Zeitintervalle erfolgt, wobei durch eine Variation der Längen der Zeitintervalle das Verhältnis des Gleichstroms zum Wechselstrom einstellbar ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einstellen der Schaltfrequenz die am Sensor (3) oder Aktuator (3') anliegende Versorgungsspannung veränderbar ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einstellen der Schaltfrequenz die am Sensor (3) oder Aktuator (3') anliegende Versorgungsspannung regelbar ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, dass auf den ersten Schalter (11) eine Leitung (13) geführt ist, auf welcher die Versorgungsspannung anliegt, dass der zweite Schalter (12) über eine zweite Leitung (14) mit dem Sensor (3) oder Aktuator (3') verbunden ist, dass auf jeweils eine Kondensatorplatte des Kondensators (10) jeweils eine dritte und vierte Leitung (15, 16) geführt ist, und dass bei gegenphasigem Schalten der Schalter (11, 12) die erste Leitung (13) über den ersten Schalter (11) mit der auf eine der Kondensatorplatten führenden dritten oder vierten Leitung (15, 16) verbunden ist, während über den zweiten Schalter (12) die auf die jeweils andere Kondensatorplatte führende vierte oder dritte Leitung (16, 15) mit der zweiten Leitung (14) verbunden ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, dass durch gleichphasiges Schalten der Schalter (11, 12) der Kondensator (10) überbrückbar ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (11, 12) während des Einschaltens des Sensors (3) oder Aktuators (3') gleichphasig geschaltet sind.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ein- und Ausschalten des Sensors (3) oder Aktuators (3') ein separater Schalter (19) vorgesehen ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ein- und Ausschalten des Sensors (3) oder Aktuators (3') die die Schaltmittel bildenden Schalter (11, 12) vorgesehen sind.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (11, 12, 19) von wenigstens einer Steuerschaltung (17, 18) angesteuert sind.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die die Schaltmittel bildenden Schalter (11, 12) von einer separaten Steuerschaltung (17) angesteuert sind.

14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Steuerschaltung (17, 18) von einem integrierten Schaltkreis gebildet ist.

15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2-14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (11, 12, 19) von Transistoren gebildet sind.