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Schaltung zur Anstcuerung der lichtemittierenden Diode eines
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Optokopplers Optokopplers Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur
Ansteuerung der lichtemittierenden Diode eines Optokopplers, die als Verstärkerschaltung
aufgebaut ist.
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Wenn bei einer übertragung eines Binärsignals von einer Signalquelle
zu einem Signalempfänger eine galvanische Trennung zwi -schen der Signalquelle und
dem Signal empfänger notwendig ist, werden zur Signalübertragung üblicherweise Relais
oder Optokoppler eingesetzt. Optokoppler haben gegenüber den Relais den Vorteil,
daß sie keinem mechanischen Verschleiß unterliegen und auch im allgemeinen billiger
sind.
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Da bei Optokopplern mit zunehmender Eingangsspannung der Strom sehr
stark zunimmt und daher schon eine geringfügig über der Ansprechspannung liegende
Spannung am Eingang ausreicht, die lichtemittierende Diode des Optokopplers zu zerstören,
und da außerdem das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsstrom stark streut
und stark von Temperatur und Alter abhängig ist, woraus sich ein großer Streubereich
der Ansprechspannung ergibt, dic nur wenige Volt beträgt und neben den kleinen Anst
iegs- und Abfallzeiten eine große Störempfindlichkeit bewirkt, werden Optokepplor
bei Anstcuerung mit einer Spannung
mit geringem Innenwiderstand
mit einer vorgeschalteten Ansteuerschaltung betrieben.
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Die einfachste bekannte Ansteuerschaltung besteht aus einem Vorwiderstand,
der mit der lichtemittierenden Diode des Optokopplers in Reihe geschaltet wird.
Hierdurch wird zwar die Empfindlichkeit gegen Störungen und Zerstörungen verringert,
aber der Nachteil des großen Streubereiahs der Ansprechspannung bleibt. Dadurch
ist auch die Empfindlichkeit gegen Störungen unter bestimmten Bedingungen immer
noch relativ groß.
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Zur Umgehung dieser Nachteile ist auch eine Ansteuerschaltung bekannt,
die aus einer Reihenschaltung eines Vor widerstandes, einer Zenerdiode und der lichtemittierenden
Diode besteht.
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Damit wird zwar die Ansprechspannung erhöht und so die Streuun verringert,
cs muß aber der Nachteil in Kauf genommen werden, daß die Schaltung unterhalb der
Ansprechspannung hochohmig ist Dadurch wird zum einen die Empfindlichkeit gegenüber
kapazitiv oder induktiv eingestreuten Störungen sehr viel weniger verringert als
der Erhöhung der Ansprechspannung entspricht, zum anderen steigt aber auch die Stromaufnahme
dieser Schaltung nach Überschreiten der Ansprechschwelle stark an. Die Signalquelle
muß dann im Stande sein, einen großen Strom zu liefern. Außerdem besteht die Gefahr,
daß bei Anliegen einer zu hohen Spannung die lichtemittierende Diode zerstört wird.
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Vermeiden lassen sich diese Nachteile dann, wenn die licht emittierende
Diode über einen Verstärker mit entsprechenden Eiyenschaften betrieben wird. Bekannte,
hierfür vorgesehene Verstärkerschaltungen haben äber den Nachteil, daß sie zusätzlich
zu den Signalleitungen weitere Leitungen zur Stromversorgung benötigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Ansteuerung
der lichtemittierenden Diode eines Optokopplers zu schaffen, die eine geringe Störanfälligkeit
besitzt (Unempfindlichkeit, insbesondere gegen kapazitive und induktive Einstreuungen),
mit der unabhängig von Exemplar- und Temperaturstreuungen eine lichtemittierende
Diode exakt geschaltet werden kann und die keine zusätzliche Spannungsquelle zur
Hilfsenergieversorgung benötigt.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Schaltung eine erste Verstärkerstufe
und eine zweite Verstärkerstufe aufweist, die so beschaltet sind, daß die erste
Verstärkerstufe unterhalb eines Schwellwertes der Eingangsspannung niederohmig ist
und einen Strom erzeugt, der nicht über die lichtemittierende Diode fließt und daß
dann, wenn die Eingangsspannung einen Schwellwert übersteigt, die zweite Verstärkerstufe
den Strom übernimmt und daß dieser Strom durch die mit dem Ausgang der zweiten Verstärkerstufe
verbundene, lichtemittierende Diode fließt und daß dieser Schwellwert größer als
die Ansprechspannung der lichtemittierenden Diode gewählt wird. Nach dem Grundgedanken
der Erfindung ist es mit zwei Verstärkerstufen möglich, daß die lichtemittierende
Diode bei einer Eingangs spannung anspricht, die unabhängig von der Ansprechspannung
der lichtemittierenden Diode ist, ohne daß die Schaltung unterhalb des Schwellwertes
der Eingangsspannung hochohmig ist. Der Schwellwert kann dadurch nämlich unabhängig
von der Ansprechspannung der lichtemittierenden Diode und genügend groß im Vergleich
zu deren Ansprechspannung gewählt werden, so daß die durch Exemplar-und Temperaturstreuungen
hervorgerufene Streuung der Ansprechschwelle bekannter Schaltungen vermieden wird,
weil die erste Verstärkerstufe unterhalb des Schwellwertes der Eingangsspannung
niederohmig ist. Es entstehen dann durch kapazitive und induktive Einstreuungen
nur geringe Störspannunyen, die auch in ungünstigen Fällen unterhalb des Schwellwertes
bleiben. Da unterhalb dieses Schwellwertes
kein Strom durch die
lichtemittierende Diode fließt, ist der Optokoppler damit gegen kapazitiv und induktiv
eingestreute Störspannungen bis zur Höhe dieses Schwellwertes unempfindlich. Der
Schwellwert bestimmt die gewünschte Ansprechspannung der Schaltung. Dadurch wird
die Schaltung auch bis zu Störspannungen, die wenig kleiner als die Ansprechspannung
sind, störfest. Da die Hilfsenergie für beide Verstärkerstufen aus dem Signal entnommen
werden kann, wird bei dieser Schaltung auch keine zusätzliche Spannungsquelle benötigt.
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In vorteilhafter Weise ist jede Verstärkerstufe mit einem Spannungsteiler
und einem Verstärkerelement beschaltet, wobei die Spannungsteiler zwischen den Eingangsklemmen
der Eingangsspannung liegen. Über die Spannungsteiler werden die Eingangsspannungen
für die Verstärkerelemente aus der Eingangsspannung erzeugt. Wenn beide Verstärkerelemente
einen gemeinsamen Gegenkopplungswiderstand haben und mindestens einer der beiden
Spannungsteiler nicht linear ist, ergibt sich aus dem Zusammenwirken dieser Nicht-linearität
mit dem Gegenkopplungswiderstand eine wechselseitige übernahme des Stromes durch
die beiden Verstärker.
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In weiterer Ausgestaltung der Schaltung sind Schaltelemente zur Begrenzung
der Eingangsspannung der ersten Verstärkerstufe vorgesehen, beispielsweise eine
Zenerdiode. Dadurch wird die Spannung der ersten Verstärkerstufe oberhalb eines
bestimmten Eingangsspannungswertsfestgehalten, um dann bei weiter anwachsender Eingangsspannung
zwischen den Eingangsklemmen die zweite Verstärkerstufe hinzuzuschalten, die dann
bei Erreichen des Schwellwertes für das Ansprechen der lichtemitticrenden Diode
sorgt.
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F.s ist auch verteilhaft, wenn die Schaltung Schaltelemente zur Strombegrenzung
der zweiten Verstärkerstufe umfaßt.
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Damit kann dannerreicht werden, daß die Signalquelle keinen wesentlich
größeren Strom liefern muß, wenn die Signalspannung größer als die Ansprechspannung
der Schaltung wird. Damit können auch große Toleranzen der Signalspannung zugelassen
werden, ohne daß bei Signalspannungen an der oberen Toleranzgrenze große Ströme
fließen. Sowohl große Toleranzen der Signalspannung als rauch kleine Ströme bedingen
einen nur geringen Aufwand für die Stromversorgung der Signalquelle. Außerdem wird
damit der Vorteil erreicht, daß die lichtemittierende Diode gegen Zerstörung durch
zu große Eingangsspannungen geschützt wird.
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Zur Einsparung von Schaltelementen ist es günstig, wenn das nicht
lineare Element des ersten Spannungsteilers sowohl zur Begrenzung der Eingangs spannung
der ersten Verstärkerstufe als auch zur Spannungsbegrenzung der zweiten Verstärkerstufe
vorgesehen ist, wobei zur Spannungsbegrenzung der zweiten Verstärkerstufe deren
Eingang über eine Diode mit diesem nicht linearen Element verbunden ist.
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Als nicht lineare Elemente können natürlich auch Dioden, Varistoren,
Heiß- und Kaltleiter oder ähnliche nicht lineare Bauelemente allein oder in Kombination
verwendet werden.
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Sehr einfach und billig lassen sich die Verstärkerstufen realisieren,
wenn als Verstärkerelemente jeweils ein Bipolartransistor vorgesehen ist. Ebenso
können natürlich auch Feldeffekttransistoren oder andere Verstärkerbauelemente Verwendung
finden.
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Bei einer vorteilhaften Schaltungsvariante werden die beiden Transistoren
emittergekoppelt und über den gemeinsamen, niederohmigen Gegenkopplungswiderstand
an eine Eingangsklemme angeschlossen. über den Gegenkopplungswiderstand wird erreicht,
daß die beiden Transistoren wechselweise den Strom
voneinander
übernehmen. Der Kollektor des ersten Transistors ist direkt mit der zweiten Eingangsklemme
verbunden, der Kollektor des zweiten Transistors über die lichtemittierende Diode.
Dann wird diese zuverlässig geschaltet, wenn der Schwellwert erreicht ist und der
Transistor der zweiten Verstärkerstufe somit durchgesteuert wird.
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Bei dieser Ausgestaltung der Schaltung wird die Basis des Transistors
der ersten Verstärkerstufe an den Mittelabgriff des Spannungsteilers der ersten
Verstärkerstufe angeschlossen, die Basis des Transistors für die zweite Verstärkerstufe
an den Mittelabgriff des Spannungsteilers der zweiten Verstärkerstufe.
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Wenn zwischen den Eingang der zweiten Verstärkerstufe und die Eingangsklemme,
mit der der Gegenkopplungswiderstand verbunden ist, ein Kondensator geschaltet ist,
wird damit in vorteilhafter Ausgestaltung eine Erhöhung der Störsicherhei-t erreicht,
da dann die Störspannungen kurzzeitig im Vergleich zu den erforderlichen Schaltzeiten
des Eingangs sind.
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Schließlich ist es gegen falsch gepolte Eingangsspannungen günstig,
die Schaltung durch eine Diode in an sich bekannter Weise zu schützen.
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Die Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im folgenden anhand
des in den Figuren dargestellten Schaltungsbeispieles weiter erläutert und beschrieben.
Es zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Eingangsschaltung,
Fig. 2 ein Schaltungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung und
Fig.
3 ein Stromspannungsdiagramm zur Darstellung des Eingangstromverlaufs gegenüber
der Eingangsspannung bei einer erfindungsgemäßen Schaltung.
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Der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltung soll zunächst
anhand der Fig. 1 erläutert werden. Die Schaltung besteht im wesentlichen aus den
strichpunktiert umrandenden beiden Verstärkerstufen 1a und 1b. Die Verstärkerstufe
1a ist mit dem Verstärkerelement V1 und dem Spannungsteiler T1, die Verstärkerstufe
1b mit dem Verstärkerelement V2 und dem Spannungsteiler T2 beschaltet. Außerdem
ist an den Verstärker V2 der zweiten Verstärkerstufe 1bdie lichtemittierende Diode
DL angeschlossen. Die Spannungsteiler T1 bzw. T2 sind jeweils zwischen die Eingangsklemmen
K1 und K2, an denen die Eingangsspannung UE ansteht, angeschlossen und zweigen somit
die Eingangsspannung für die Verstärker V1 bzw. V2 aus der Eingangsspannung, die
die Signalspannung darstellt, ab. Einer der beiden Spannungsteiler - in dem gezeigten
Blockschaltbild ist dies der Spannungsteiler T1 für die erste Verstärkerstufe 1a
-ist mit einem nicht linearen Element beschaltet, hier mit der Zenerdiode Dz. RG
ist der gemeinsame Gegenkopplungswiderstand der beiden Verstärker V1 und V2.
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Eine nach dem in Fig. 1 dargestellten prinzipiellen Schaltungsaufbau
realisierte Schaltung zeigt die Fig. 2, anhand derer auch die prinzipielle Arbeitsweise
der Schaltung nachstehend erläutert wird.
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Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, dienen in diesem Ausführungsbeispiel
als Verstärker V1 und V2 die beiden Transistoren Tr1 und Tr2. Die Klemme K1 ist
der positive Pol der Signalspannung.
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Die Diode D2 dient dem Schutz der Schaltung bei Anliegen einer negativen
Spannung an K1 gegenK2.
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In der folgenden Erläuterung wird die Durchlaßspannung dieser Diode
D2 vernachlässigt. Ebenso werden in den folgenden Formeln
die Basis-Emitterspannung,
die Kollektor-Emitterspannung und der Basisstrom der Transistoren jeweils vernachlässigt,
so daß sich zwar die Berechnung stark vereinfacht, jedoch die grundsätzlichen Zusammenhänge
nicht verändern.
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Wenn die Eingangs spannung UE nun kleiner als die Zenerspannung UDZ
der Zenerdiode Dz ist, liefert der erste Transistor Tr1 zunächst einen Strom 11,
der sich nach
berechnen läßt. Da die Basisspannung des zweiten Transistors Tr2 kleiner als die
des ersten Transistors Tr1 ist, sperrt der zweite Transistor Tr2, d.h. der Strom
I2ist gleich Null.
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Wenn nun aber die Eingangs spannung UE größer als die Zenerspannung
UDz der Zenerdiode Dz wird, bleibt der Strom I1 konstant, solange die Basisspannung
des zweiten Transistors Tr2 kleiner als die des ersten Transistors ist. Der dann
fließende Strom läßt sich wie folgt berechnen:
wenn
Wenn die Basisspannung des zweiten Transistors Tr2 größer als die des ersten wird,
übernimmt jener dann den Strom. Voraussetzung dafür ist, daß der Spannungsteiler
T2 so dimensioniert ist, daß die Spannung zwischen Basis und Eingangsklemme K1 größer
als die Durchlaßspannung UL der lichtemittierenden Diode DL ist. Es muß also
sein, wenn
Daraus folgt, daß
sein muß.
Dann ist
Hieraus wird ersichtlich, daß der Strom durch die erste Verstärkerstufe 1a dann
0 wird, wenn die Eingangsspannung den Schwellwert
erreicht. Dieser Spannungswert stellt die Ansprechspannung der Schaltung dar. Oberhalb
dieser Spannung fließt ein Strom über die lichtemittierende Diode DL, so daß diese
leuchtet. Aus den vorstehenden Gleichungen ist auch ersichtlich, wie der Spannungsteiler
T1 und die Zenerdiode Dz zu dimensionieren ist.
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Wenn die Eingangs spannung größer als
wird, wird die Basisspannung des zweiten Transistors festgehalten und der Strom
I2 auf den Wert
begrenzt.
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U D ist die Durchlaßspannung der Diode D1.
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Zur Erhöhung der Störsicherheit dient der Kondensator C1, der kurzzeitige
Störspannungen am Eingang abschwächt. Für diese Schaltung ergibt sich ein Stromspannungsdiagramm,
wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Wenn die Eingangsspannung UE kleiner als die-Zenerspannung
UDZ ist, setzt sich der Eingangsstrom 1E aus dem über den ersten Verstärker 1a fließenden
Anteil I1 und dem über den Spannungs teiler T2 des zweiten Verstärkers 1b erzeugten
Strom zusammen. Wenn nun die Zenerdiode Dz leitend wird, wird der Anteil des Eingangsstromes,
der über die erste Verstärkerstufe 1a fließt konstant gehalten. Bei weiterer Erhöhung
der Eingangs spannung erhöht sich der Strom durch den Spannungsteiler T2 weiter.
Dazu kommt nun ein Strom durch den Spannungsteiler T1. Wenn bei Erreichen des Schwell-UB5
wertes UEs die Basisspannung des zweiten Transistors Tr2 größer als die des ersten
Transistors Tr1 wird, übernimmt der zweite Transistor den Strom vom ersten. Der
Strom des zweiten Transistors fließt nun über die licht-emittierende Diode und diese'leuchtet.
Dies geschieht unabhängig von der Ansprechspannung der lichtemittierenden Diode.
Exemplarstreuungen oder Temperatureinflüsse haben somit kein Auswirken auf die Ansprechspannung
der Schaltung mehr.
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Dadurch, daß über die Diode D1 (vgl. Fig. 2) der Eingang des Verstärkers
V2 mit dem Eingang des Verstärkers V1 verbunden ist, hat eine weitere Erhöhung der
Eingangsspannung zur Folge, daß nach einer weiteren Stromerhöhung der Strom durch
die zweite Verstärkerstufe begrenzt wird, indem dann die Basisspannung des zweiten
Transistors Tr2 durch die Zenerdiode Dz festgehalten wird. Damit wird die lichtemittierende
Diode gegen zu hohe Ströme geschützt. Da beide Verstärkerstufen die benötigte Hilfsenergie
aus der Eingangs spannung und damit der Signalspannung entnehmen, wird keine zusätzliche
Hilfsenergieversorgung benötigt.