-
Beschreibung
-
Die Erfindung betrifft ein selektives dynamisches Entstörmodul gemäß
dem Oberbegriff von Anspruch1.
-
Es sind vielfältige Entstörmodule bzw. Impulsübertrager der im Oberbegriff
genannten Art bekannt. Beispielsweise beschreibt die DE-OS 28 25 348 einen Impulsübertrager,
bei dem der Ausgangsimpula am Arbeitswiderstand des ausgangsseitigen Lichtempfangsgliedes
abfällt. Im Unterschied zu diesem Stand der Technik, bei dem der Optokoppler übersättigend
angesteuert wird, ist es ferner bekannt, diesen außerhalb der Übersättigung zu betreiben,
was zu einem wesentlich günstigeren Impulsverhalten führt.
-
Bekannte Entstörmodule bzw. Impulsübertrager haben den Nachteil, daß
ihre Frequenz- und Amplitudenselektivität relativ begrenzt ist, so daß für viele
Anwendungsfälle eine unreichend definierte Impulsauswertbarkeit vorliegt. Da in
der Impulssteuerungs- und -übertragu'ngstechnik stets mit Störungsbeeinflussungen
zu rechnen ist und Entstörmodule der genannten Art vielfach als Bindeglied zwischen
der Mechanik und einer sehr empfindlichen Elektronik eingesetzt werden, ist-es sehr
wichtig, daß die auftretenden Störungen so weit wie möglich unterdrückt werden.
Dieses ist mit herkömmlichen Entstörmodulen bei vertretbarem Aufwand jedoch nur
in unzureichendem Maße möglich.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Entstörmodul
der im Oberbegriff genannten Art (ohne übersättigendes Ansteuern des Optokopplers)
mit wenigen zusätzlichen Bauteilen bei vertretbarem Aufwand so zu gestalten, daß
sich bezüglicn der Störunterdrückung im normalen Temperaturbereich wesentlich günstigere
Impulsübertragungseigenschaften
erzielen lassen. Das Entstörmodul soll eine Art Monoflop-Verhalten haben und demnach
im Übertragungs bereich, also bei ausreichend langen und großen Eingangsimpulsen,
einen Ausgangsimpuls von im wesentlichen konstanter Länge erzeugen Dieser Ausgangsimpuls
soll in einer gegenüber dem Stand der Tenhnik deutlich verbesserten Weise weitgehend
unterdrückt werden, sobald die Länge des Eingangs impulses eine bestimmte Schwelle
unterschreitet. Entsprechendes gilt auch für die Amplitude des Eingangs impulses.
Andererseits sollen auch Eingangsimpulse mit verschliffenen Flanken zu einem definierten
Ausgangsimpuls führen, sofern de zeitliche Länge und die Amplitude der Eingangsimpulse,
also deren Flächen- bzw. Energieinhalt, ausreichend groß sind. Demgegenüber soll
außerhalb des Übertragungsbereiches, also wenn die zeitliche Länge des Eingangsimpulses
die genannte Schwelle unterschreitet, auch eine gewisse Vergrößerung der eingangsseitigen
Impulsamplitue, nicht zu einer ausgangsseitigen Impulsauslösung führen. Demnach
sollen eine optimale Nutzimpuls-Übertragung mit definierten Ausuangrlmp:'sen bel
größtmöglicher Störimpuls-Unterdrückung erzielt werden.
-
Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ei Entstörmodul der
im Oberbegriff genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen von Anspruch
1 aufgeführten merkmale aus. Demnach sorgt der sekundärseitige Arbeitskondensator
in Verbindung mit den übrigen Maßnahmen dafür, daß nur ganz bestimmte Eingangsimpulse,
nämlich solche mit ausreichender Länge und Größe, zum Auslösen definierter Ausgangsimpulse
führen. Zu kurze bzw. zu kleine Eingangs impulse können zwar bei dem am Impulsende
erfolgenden Entladen des eingangsseitigen Umladekondensators über die Lichtemissionsdiode
des
Optokopplers diesen gegehenenfalls noch kurzzeitig ansteuern, doch ist der Energieinhalt
solcher Impulse und damit des Umladekondensators zu klein, als daß der Arbeitskondensator
auf das Niveau aufgeladen werden könnte, um eine sekundärseitige Impulsauslösung
zu begründen. Diese Impulse werden sicher unterdrückt. Andererseits können jedoch
auch verschliffene Eingangsimpulse, deren Energieinhalt groß genug ist, für ein
ausreichend weites Aufladen des Umladekondensators und somit über den Optokoppler
auch des Arbeitskondensators führen, so daß diese verschliffenen Impulse wiederum
einen definierten Ausgangsimpuls erzeugen. Es hat sich gezeigt, daß sich bei richtiger
Auslegung der Schaltung eine erstaunlich gute Amplituden- und Frequenzselektivität,
also eine gute Störunterdrückung, ergibt, die weit-Wber das hinausgeht, was bisher
bei derartigen Bausteinen als für ohne weiteres erreichbar erachtet wurde. Zwischen
den Kondensatoren tritt eine Art Energiependelung bzw. -Ebergabe auf, die dann,
wenn die eingangsseitig zugeführte Energie unter Berücksichtigung der unter anderem
im Optokoppler auftretenden Verluste sekundärseitig nicht mehr zum Auslösen genügt,
ausgangsseitig unterdrückt wird. Im eigentlichen Impulsübertragungsbereich, das
heiSt bei ausreichend großen und langen Eingangsimpulsen, wird beim Auftreten der
zweiten Impulsflanke (abfallend oder ansteigend) der primärseitige mladekondensator
über die Lichtemissionsdiode des Optokopplers entladen, so daß dessen sekundärseitiges
Lichtempfangsglied den Arbeitskondensator aufladen kann. Sobald dessen Energieinhalt
so groß ist, daß die an ihm anliegende Spannung die Auslöseschwelle der hierzu parallelen
Reihenschaltung übersteigt, beginnt der Ausgangsimpuls. Dabei wird die Ansteuerung
des Ausgangstransistors zunächst noch vom Lichtempfangsglied des Optokopplers übernommen,
bis
dieser abschaltet, Anschließend wird der Strombedarf des Ausgangstransistors von
dem sich dann entladenden Arbeitskondensator übernommen, bis die Auslöseschwelle
der genannten Schaltung unterschritten ist. Die Länge des Ausgangsimpulses wird
im wesentlichen durch die Größe des Arbeitskondensators und dessen Entladestrompfad,
also durch die Bauteile selbst und nicht durch die Länge des Eingangsimpulses bestimmt,
da der Optokoppler erst an der zweiten Impulsflanke angesteuert wird. Während bei
im eigentlichen Übertragungsbereich liegenden Eingangsimpulsen eine ungehinderte
Impulsübertragung der genannten Sxt möglich ist, werden Eingangsimpulse außerhalb
des Ubertragungsbereiches völlig unterdrückt und solche, die in einem relativ schmalen
Übergangsbereich liegen, weitgehend und umso mehr unterdrückt, je größer der Abstand
vom Übertragungsbereich ist. Dabei ist die Impulsunterdrückung im Ubergangsbereich
besonders groß, wenn einerseits die Impulsamplitl.ie und andererseits die Impulslänge,
also der Energieinhalt des Impulses, zu klein sind. Diese hochwirksame Störunterdrückung
läßt sich mit Hilfe der Schottky-Diode und des Widerstandskompensationsgliedes mit
dem PTC-Widerstand (Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten) über einen
sehr breiten Temperaturbereich sicher aufrechterhalten. Ohne derartige Maßnahmen
entstanden wegen der unterschiedlichen Temperaturgänge des Optokopplers und des
Ausgangstransistors erhebliche Probleme.
-
Der gemäß Anspruch 2 dem PTC-Widerstand vorzugsweise parallelzuschaltende
ohmsche Widerstand sorgt dafür, daß die Temperaturabhängigkeit des Widerstandskompensationsgliedes
etwas abgeflacht wird, was sichfArviele Anwendungsfälle für zweckmäßig erwiesen
hat*2n.}hesondBren Fällen kann es jedoch auch notwendig sein, auf
einen
solchen Widerstand zu verzichten.
-
Währendigemäß Anspruch 3 an sich eine Fotodiode als Lichtempfangsglied
des Optokopplers einsetzbar ist, hat sich hierfür gemäß Anspruch 4 besonders ein
einstufiger Fototransistor als zweckmäßig erwiesen. Bei praktischen Versuchen konnten
hiermit sehr gute Resultate erzielt werden.
-
Wenn der Arbeitskondensator und die hierzu parallele Reihenschaltung
gemäß Anspruch 5 im Emitterkreis des Fototransistors liegen sollen, müssen die Schichtfolgen
des Fototransistors und des Ausgangstransistors gleich sein, wobei es gleichgültig
ist, ob eine PNP- oder NPN-Schichtfolge gewählt wird. Wenn dagegen die genannten
Bauteile gemäß Anspruch 6 im Kollektorkreis des Fototransistors liegen sollen, müssen
die Scichtfolgen des Fototransistors und des Ausgangstransistors entgegengesetzt
sein, wobei es wiederum gleichgültig rist, wie diese Schichtfolgen auf die beiden
Bauteile verteilt sind. Demnach gibt es für die Sekundärschaltung des Entstörmoduls
zwei prinzipielle Schaltungen und unter Berücksichtigung der Wählbarkeit der Schichtfolgen
insgesamt vier Schaltungsmöglichkeiten. Durch die gewählte Schaltung wird dann festgelegt,
ob eine positive oder negative Versorgungsleichspannung zu wählen ist und ob ein
positiver oder negativer Ausgangsimpuls entsteht.
-
Es ist vorteilhaft, daß gemäß Anspruch 7 mit dem Arbeitskondensator
die erwünschte Länge des Ausgangsimpulses eingestellt werden kann, die auch der
inimallänge des im Übertragungsbereich des Impulsübertragers noch ohne weiteres
übertragbaren Eingangsimpulses entspricht. Damit läßt sich das Entstörmodul in einfacher
Weise an die jeweils gültigen Betriebserfordernisse anpassen.
-
Damit die Energiependelung bzw. -übergabe optimal funktioniert, ist
es gemäß Anspruch 8 zweckmäßig, den Arbeitskondensator und den Umladekondensator
etwa gleich groß zu machen. Hierbei hat sich gezeigt, daß in den meisten Fällen
eine besonders gute Störunterdrückung vorliegt.
-
Ferner ist es gemäß Anspruch 9 vorteilhaft, daß das Widerstandskompensationsglied
so eingestellt werden kann, daß es in Verbindung mit der Schottky-Diode die vorhandenen
Temperaturgangunterschiede ausgleicht und somit für ein temperaturunabhängiges Betriebsverhalten
sorgt. Dieses ist für definierte ImpulsUbertragungs- bzw. StbrunterdrückungsverhEltnisse
von großer Wichtigkeit.
-
Während es an sich möglich ist, die einzelnen Bauelemente des erfindungsgemäßen
Entstörmoduls empirisch zu optimieren, um besonders gute Übertragungseigenschaften
zu erhalten, ist es jedoch aus Herstellungs- und Kostengründen bevorzugt, Dimensionierungsregeln
anzugeben, aufgrund derer unter Berücksichtigung normaler Bauelemente und ihrer
Toleranzen zumindest durchschnittliche Übertragungsverhältnisse erzielbar sind.
Dieses schließt nicht aus, daß die dann erzielte Schaltung durch Einzeleingriffe
weiter optimiert wird, beispielsweise wenn besondere Betriebserfordernisse beispielsweise
hinsichtlich der Amplituden- und/oder Impulslängenselektion zu erfüllen sind. Mit
den bevorzugten Dimensionierungsregeln aus Anspruch 10 läßt sich das erfindungsgemäße
Entstörmodul in relativ einfacher und preisgünstiger Weise so dimensionieren, daß
durchschnittliche, jedoch -gegenüber dem Stand der Technik bereits sehr gute Betriebsverhältnisse
erzielbar sind. Dabei wird in einer ersten PrUfschaltung der Optokoppler selbst
durchgemessen und näher definiert, während in einer zweiten Prüf schaltung der
Einfluß
des gesamten Entstörmoduls berücksichtigt wird; wobei beide Messungen statisch erfolgen.
Es hat sich gezeigt, daß diese Maßnahmen genügen, um bereits sehr gute Ergebnisse
zu erzielen.
-
Da sich die Dimensionierungsvorschrift aus Anspruch 10 auf eine zumindest
eingangsseitige Nutzimpulsspannung von etwa 5 Volt bezieht, ist es gemäß Anspruch
11 bevorzugt, bei entsprechenden Spannungserhöhungen den primärseitigen ohmschen
Widerstand ebenfalls zu erhöhen, und zwar um etwa 0,8 SS1 pro 1 Volt Spannungserhöhung,
um etwa gleichbleibende Impulsübertragungsverhältnisse zu erzielen. Die sekundärseitige
Betriebsgleichspannung kann dagegen von beispielsweise 5 Volt ohne weiteres bis
beispielsweise 30 Volt erhöht werden, ohne daß ein grundsätzlich anderes Betriebs
verhalten auftritt.
-
Die mit den genannten Dimensionerungsvorschriften erhaltenen Betriebsverhältnisse
lassen sich einhalten, sofern der Innenwiderstand der eingangsseitigen Nutzimpuls-Quelle
gemäß Anspruch 12 vorzugsweise den Wert von 50sL nicht wesentlich übersteigt.
-
Für die Temperaturkompensation hat es sich gemäß Anspruch 13 als zweckmäßig
erwiesen, einen PTC-Widerstand zu wählen, der sich im Normaltemperaturbereich von
etwa 1002 bis etwa 3 KL verändert.
-
Für.siele Anwendungsfälle (z. B. für die Verwendung eines Optokopplers
CNY 18 Vl sowie eines Ausgangstransistors BCX 70 K) hat sich die Verwendung eines
zum PTC-Widerstand parallelen ohmschen Widerstandes von etwa 4,7 R ? als geeignet
erwiesen, da hierdurch der Temperaturgang des Widerstandskompensationsgliedes in
geeigneter Weise abgeflacht wird.
-
Gemäß Anspruch 15 ist es für kritische Impulsübertragungs- bzw.
-
Störunterdrückungsverhältnisse besonders bevorzugt, zumindest zwei
Entstörmodule der genannten Art hintereinander zu schalten. Bereits bei Verwendung
von zwei Entstörmodulen ergibt sich ein derart günstiges Betriebsverhalten, daß
von einer weitgehend absoluten Störsicherheit gesprochen werden kann. Während bei
Verwendung eines einzelnen Entstörmoduls zumindest in dem an den UDertragungsbereich
angrenzenden Übergangsbereich unter bestimmten Voraussetzungen-.noch ausgangsseitige
Störsignale verminderter Amplitude bzw. Länge auftreten können, sind diese Störsignale
selbst in ungünstigen Situationen in keiner Weise geeignet, das zweite Entstörmodul
geeignet anzusteuern und ansprechen zu lassen, während andererseits im Übertragungsbereich
liegende Nutzimpulse die Entstörkette ungehindert durchlaufen können. Die Hintereinanderschaltung
zweier Entstörmodule der genannten Art ist vor allem deshalb von großem Vorteil,
weil auch bei höchsten Anforderungen die einzelnen Entstö=odule nur nach den normalen
Dimensionierungsvorschriften bemessen werden müssen, was auch automatisch erfolgen
kann. Im Falle der Verwendung einzelner Entstörmodule, also ohne Hintereinanderschaltung,
müßte bei der Erfüllung höchster Anforderungen eine sehr aufwendige empirische Selektierungs-
und Dimensionierungsmethode durchgeführt werden, was bei Hintereinanderschaltung
jedoch entfallen kann. Abgesehen davon, daß sich bei Hintereinanderschaltung viel
schmalere Übergangsbereiche der Gesamtschaltung ergeben, die mit einem mehr oder
weniger abrupten Abreißen der Impulsübertragung bei entsprechender Verminderung
der Impulsamplitude und/oder Impulslänge vergleichbar sind, lassen sich durch die
Hintereinanderschaltung auch alle Offset-Probleme leichter bewältigen, die beispielsweise
bei Impulsfolgen auftreten können.
-
Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Ausfffhrungsbeisplelen
näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 - ein Entstörmodul nach der vorliegenden Erfindung
mit einer primärseitigen Auswertung von positiven Impulsen an der abfallenden Flanke
und einer sekundärseitigen Schaltungskonzentration auf den Emitterkreis des Optokoppler-Fototransistors,
wobei wegen der gewählten Schichtfolgen negative Ausgangsimpulse entstehen, Figur
2 - ein abgewandeltes Entstörmodul nach der vorliegenden Erfindung in einer Figur
1 ähnelnden Ansicht, wobei jedoch primärseitig negative Eingangs impulse an der
aufsteigenden Flanke ausgewertet werden, sekundärseitig eine Schaltungskonzentration
auf den Kollektorkreis des Optokoppler-Fototransistors vorliegt und aufgrund der
gewählten Schichtfolgen positive Ausgangsimpulse erzeugt werden, Figur 3 - eine
erste statische Prüfschaltung für die Auswahl des Optokopplers sowie die Bestimmung
seines Stromübertragungsfaktors, Figur 4 - eine zweite statische Prüfschaltung für
die Berücksichtigung des Stromverstärkungsverhaltens des gesamten Entstörmoduls
und damit zum Bestimmen der Größe des eingangsseitigen ohmschen Widerstandes, Figur
5 - in einer graphischen Darstellung da.s Impulsübertragungsverhalten in Abhängigkeit
von der eingangsseitigen Impulslänge und Figur 6 - in einer graphischen Darstellung
das Impulsübertragungsverhalten in Abhängigkeit von der eingangsseitigen Impulsamplitude.
-
Wie es aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, besteht der Eingangskreis
des erfindungsgemäßen Entstörmoduls aus einer Reihenschaltung mit dem ohmschen Widerstand
R1, dem Umladekondensator C1 und der Parallelschaltung aus der Lichtemissionsdiode
Dx des Optokopplers K sowie der hierzu antiparallelen Umwegdiode D1. Je nach Durchlaßrichtung
der Dioden können positive Eingangsimpulse an der abfallenden Flanke und negative
Eingangs impulse an der aufsteigenden Flanke, also stets an der zweiten Flanke,
ausgewertet werden, indem erst beim Entladen des zunächst aufzuladenden Umladekondensators
C1 die Lichtemissionsdiode Dx des Optokopplers K stromdurchflossen wird. Der Eingangsimpuls
kann auf verschiedene Weise den Eingangsklemmen 1, 2 zugeführt werden. Beispielsweise
ist dieses mittels eines die Eingangsklemmen 1, 2 verbindenden Schalters S und einer
Batterieversorgung über einen Widerstand Ri möglich. Der Eingangskreis wird mit
einem Impuls beaufschlagt, sobald und solange der Schalter S geöffnet wird. Stattdessen
kann auch ein Impulsgenerator G verwendet werden, dessen Innenwiderstand mit Ri
angegeben ist.
-
Die Lichtemissionsdiode Dx des Optokopplers x sendet dann, sobald
und solange sie vom Entladestrom des Umladekondensators C1 ausreichend stromdurchflossen
ist, Licht zu dem sekundärseitigen Lichtempfangsglied ER des Optokopplers K, das
an sich auch eine Fotodiode sein könnte und im vorliegenden Fall ein einstufiger
Fototransistor ist, Es hat sich gezeigt, daß sich mit einstufigen Fototransistoren
besonders günstige Ergebnisse erzielen lassen.
-
Der Ausgangskreis des Entstörmoduls kann unterschiedlich aufgebaut
sein, wie es in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist. iahrend gemäß Figur 1 die Bauteile
im wesentlichen auf den Emitterkreis
des Fototransistors konzentriert
sind, gilt dieses gemäß Figur 2 für den Rollektorkrels des Fototransistors. In beiden
Fällen ist dem Arbeitswiderstand R2 des Fototransistors ein Arbeitskondensator C2
parallelgeschaltet, dem wiederum eine Reihenschaltung aus einer Schottky-Diode D2,
einem Widerstandskompensationsglied R4 sowie R5 und der Basis-Emitter-Strecke eines
Ausgangstransistors T parallelgeschaltet ist. Während der letztere ein Bchalttransistor
hoher Güte ist, besteht im vorliegenden Fall das Widerstandskompensationsglied aus
einem PTC-Widerstand R4 und einem hierzu parallelen ohmschen Widerstand R5. Der
Arbeitswiderstand R3 des Ausgangstransistors T liegt in dessem Kollektorkreis. Wenn
gemäß Figur 1 eine Schaltungskonzentration auf den Emitterkreis des Fototransistors
vorgenommen wird, muß dessen Lichtempfangsglied Ex bzw. Fototransistor die gleiche
Schichtfolge wie der Ausgangstransistor T haben, das heißt also PNP oder NPN. In
Abhängigkeit von der jeweils gewählten Schichtfolge muß eine positive oder negative
Versorgungsgleichspannung UB gewählt werden, und es ergibt sich hieraus auch die
Polarität des zwischen den Ausgangsklemmen 3 sowie 4 erhaltenen Ausgangsimpulses.
Bei der Dimensionierung gemäß Figur 1 ergibt sich am Ausgang ein negativer Impuls.
Wenn dagegen gemäß Figur 2 eine Schaltungskonzentration auf den Kollektorkreis des
Lichtempfangsgliedes ER bzw. Fototransistors des Optokopplers K gewählt wird, müssen
die Schichtfolgen des Fototransistors und des Ausgangstransistors T entgegengesetzt
gewählt werden, also PNP sowie NPN oder NPN sowie PNP. Hieraus ergibt sich auch
die notwendige Polarität der Versorgungsgleichspannung UB bzw. die Polarität des
Ausgangsimpulses an den Ausgangsklemmen 3, 4, wobei bei der Dimensionierung gemäß
Figur 2 ein positiver Ausgangsimpuls entsteht. Wichtig ist bei dem Ausgangskreis,
daß die
Stromflußrichtungen im Lichtempfangsglied bzw. Fototransistor
des Optokopplers K, in der Schottky-Diode D2 und in der Basis-Emitter-Strecke des
Ausgangstransistors T gleich sind.
-
Alle zur Verfügung stehenden Ausgangskreise lassen sich mit allen
zur Verfügung stehenden Eingangskreisen kombinieren, da eine Kopplung nur über den
Lichtpfad des Optokopplers K erfolgt. Daher können primär- sowie sekundärseitig
übereinstimmende oder entgegengesetzte Impulspolaritäten und gleiche oder unterschiedliche
Nutzimpuls-Größen vorgesehen werden.
-
Die Figuren 3 und 4 geben Prüfschaltungen wieder, die benötigt werden,
um eine relativ einfache Normaldimensionierung des Entstörmoduls gemäß den Dimensionierungsvorschriften
aus Anspruch 10 vornehmen zu können. Zunächst wird mit der Prgfschaltung aus Figur
3 festgestellt, ob ein Optokoppler K für die vorliegende Anwendung überhaupt geeignet
ist. Zu diesem Zweck wird der Optokoppler K primär- und sekundärseitig über ohmsche
Widerstände RE - RA = 2,2 Ko an eine Versorgungsgleichspannung von 5 Volt angelegt.
Dabei werden die primär und sekundärseitigen Ströme 1E1 und IA1 gemessen, um hieraus
den Stromübertragungsfaktor kK 1A111E1 ZU bestimmen. Dieser statische Stromübertragungsfaktor
muß gemäß der Dimensionierungsvorschrift aus Anspruch 10 im Bereich von 0,5 bis
1 liegen. Außerdem ist es jedoch erforderlich, daß bei dieser Ansteuerung des Optokopplers
K an diesem bzw. an RA eine Spannung abfällt, die im Bereich von 1,5 Volt bis 3,5
Volt (etwa halbe Ve rsorgung sg le ich spannung - 1 Volt) liegt. In diesem Fall
ist eine genügende Leistungsübertragungsfähigkeit des Optokopplers x gewährleistet,
die für ein einwandfreies Betriebsverhalten des Entstörmoduls wichtig ist.
-
In der zweiten Prüf schaltung aus Figur 4 wird unter Weglassung der
Kondensatoren C1, C2 die Gesamtschaltung des Entstörmoduls mit dem gemäß Figur 3
ausgewählten Optokoppler K auf ihr Stromverstärkungsverhalten - hin untersucht,
um hieraus gemäß der Dimensionierungsvorschrift aus Anspruch 10 den primärseitigen
ohmschen Widerstand R1 zu bestimmen. Hierbei wird die Schaltung primärsowie sekundärseitig
an eine Versorgungsgleichspannung von 5 Volt angelegt, und ein den späteren Widerstand
R1 ersetzender variable: Widerstand N wird solange verstellt, bis am Ausgang des
Entstörmoduls etwa die halbe Versorgungsgleichspannung abfällt (also die Kollektor-Emitter-Spannung
UCE des Ausgangstransistors T dieser halben Versorgungsgleichspannung entspricht).
Der dann primärseitig fließende Strom IE2 wird abgelesen und mit dem Stromübertragungsfaktor
kx des Optokopplers K in die aus Anspruch 10 ersichtliche Bestimmungsgleichung für
R1 eingesetzt, wobei IE2 in Mikroampere anzugeben ist und sich R1 dann in Kiloohm
ergibt.
-
Der aus den Figuren 1 und 2 ersichtliche sekundärseitige Widerstand
R6 ist lediglich ein Schutzwiderstand für den Fototransistor des Optokopplers K
und soll bei falscher Ansteuerung des Optokopplers eine Überlastung des Fototransistors
verhindern.
-
Dieser Schutzwideratänd ist vergleichsweise klein und beträgt beispielsweise
etwa 30 bis 50 Die aus Anspruch 10 ersichtliche normale Dimensionierungsvorschrift
geht von einer zumindest eingangsseitigen Nutzimpulsspannung von etwa 5 Volt aus.
Der Optokoppler K wird so ausgewählt und definiert, wie es im Zusammenhang mit der
Prüfschaltung aus Figur 3 erwähnt wurde. Als Ausgangstransistor T wird ein geeigneter
Schalttransistor mit einem Verstärkungsfaktor in der Grössenordnung
von
etwa 300 gewählt. Als Arbeitswiderstände R2 und R3 für den Fototransistor des Optokopplers
K und den Ausgangstransistor T werden solche Widerstände gewählt, deren Größen etwa
den vom Hersteller empEohlenen Arbeitswidekständen entsprechen. Die Widerstandskompensationsschaltung
mit dem PTC-Widerstand R4 und gegebenenfalls dem hierzu parallelen Widerstand R5
wird in geeigneter Weise, beispielsweise empirisch oder graphisch, so ausgelegt,
daß die Temperaturgangunterschiede zwischen dem Fototransi stor und dem Ausgangstransistor
ausgeglichen werden. Der primärseitige ohmsche Widerstand R1 wird so bemessen, wie
es im Zusammenhang mit der Prüfschaltung aus Figur 4 erwähnt wurde. Und schließlich
werden bei der Normaldimensionierung die Kondensatoren C1 und C2 etwa gleich groß
gemacht und in Abhängigkeit von der ausgangsseitig erwünschten Impulslänge sowie
der Größe der Widerstände 1 sowie R2 so gewählt, wie es sich aus der Bestimmungsgleichung
aus Anspruch 10 ergibt.
-
Mit einer derartigen Normaldimensionierung des Entstörmoduls lassen
sich unter Berücksichtigung der Bauteile-Toleranzen hinreichend gute Betriebsergebnisse
erzielen, die sich jedoch durch gezielte Optimierung noch weiter verbessern lassen.
-
In Figur 5 ist die Abhängigkeit des Impulsübertragungsverhaltens von
der Impulslänge dargestellt, wobei die jeweilige Ausgangsimpuls-Amplitude UA auf
die maximal mögliche Ausgangsimpuls-Amplitude UAmax bezogen ist. Eine entsprechende
Normierung wurde auch für die Eingangsimpuls-Länge tE auf die definierte Ausgangsimpuls-Länge
StA vorgenommen, wobei ötA wiederum der Minimallänge eines ohne weiteres übertragbaren
Eingangsimpulses entspricht.
-
Die Übertragungskurve a1 aus Figur 5 gilt für den Fall einer
Schaltung
ohne Verwendung des sekundärseitigen Arbeitskondensator: C2. Esistcerkennbar, daß
ausgehend von dem eigentlichen Ubertragungsbereich I unterhalb des Abszissen-Wertes
1 die Kurve al äusserst langsam abfällt. Dieses bedeutet, daß unterhalb des Übertragungsbereiches
I, also bei eingangsseitigen Impulslängen, die kleiner als die festgelegte Ausgangsimpuls-Länge
sind, eine sehr schlechte Störunterdrückung vorliegt. Die Kurve a2 zeigt etwa das
Impulstbertragungsverhalten eines Entstörmoduls nach der vorliegenden Erfindung,
das nach den Normaldimensionierungsvorschriften der genannten Art bemessen wurde.
Es zeigt sich, daß ein derart ausgelegtes Entstörmodul einen relativ kleinen Übergangsbereich
II zwischen dem Übertragungsbereich I und einem Abszissen-Wert von ungefähr 0,33
hat. Wenn demdach die Länge des Eingangsimpulses kleiner als etwa 33 % des definierten
bzw. durch C1 sowie C2 definierten Ausgangsimpulses wird (Bereich III), ist das
Entstörmodul absolut impulsundurchlässig, und zwar unabhängig von der Amplitude
eines Eingangsimpulses. In dem relativ begrenzten Übergangsbereich von 0,33 bis
1 erfolgt bereits ausgangsseitig eine starke Amplitudenabsenkung, so daß derartige
Störimpulse durch Zusatzmaßnahmen leicht ausgefiltert werden können, beispielsweise
durch ein nachgeschaltetes Entstörmodul der gleichen Art, falls dieses erforderlich
ist. Die Kurve a3 aus Figur 5 gibt das Übertragungsverhalten wieder, das bei individueller
Optimierung des erfindungsgemäßen Entstörmoduls erzielt werden kann, so daß in diesem
Falle der Übergangsbereich etwa bei 75 % endet. Dieser Optimalfall ist jedoch nur
schwierig zu erzielen und schon deshalb nicht notwendig, weil durch die Hintereinanderschaltung
von normal dimensionierten Entstbrmodulen der erfindungsgemäßen Art noch bessere
Ergebnisse erzielbar sind.
-
Aus Figur 6 ergibt sich die Abhängigkeit des lmpulsÇbertragungsverhaltens
von der Größe des eingangsseitigen Nutzimpulssignals.
-
Während auf der Abszisse das Verhältnis der Eingangsimpuls-Größe UE
zu der im Übertragungsbereich noch einwandfrei zu übertragenden minimalen Eingangsimpuls-Größe
UEmin aufgetragen ist, gelten für die Ordinate die im Zusammenhang mit Figur 5 angegebenen
Ausführungen. Die Kurve a4 ist in dem Ubertragungsbereich I aus Figur 5 aufgenommen
und gibt in diesem Bereich an, wie sich die Ausgangs impuls-Größe UA bei Verkleinerung
der Eingangsimpuls-Größe UE verhält. Bei ausreichender Länge des Eingangsimpulses
erfolgt im Übertragungsbereich 1' eine ungehinderte ImpulsEbertragung, während unterhalb
des Abszissen-Wertes 1 im Ubergangsbereich II' ein relativ steiles Abfallen der
Ausgangsimpuls-Größe UA bis zum Wert Null bei einem Abszissen-Wert von ungefähr
0,75 erfolgt. Bei noch kleineren Abszissen-Werten, also im Bereich III' der Efngangsamplitude,
erfolgt eine vollständige Impulsunterdrückung. Sobald also die Eingangsimpuls-Amplitude
kleiner als 75 % von UEmin bzw. der eingangsseitig vorgesehenen Nutzimpulsamplitude
wird, können die Eingangsimpulse keine Ausgang impulse hervorrufen. Die Rurve a5
gilt für den Fall, daß in dem Übergangsbereich II aus Figur 5 gearbeitet wird, also
wenn einerseits eine zu kurze Impulslänge und andererseits eine zu kleine Impulsamplitude
vorliegt. Dann erfolgt ein sehr steiles Abfallen des Impulsübertragungsverhaltens.
Der für den impulslängenmäßigen Übertragungsbereich I aus Figur 5 geltende amplitudenmäßige
Über gangsbereich II' aus Figur 6 kann, sofern dies erforderlich ist, durch ein
Hintereinanderschalten zweier Entstörmodule der genannten Art noch wesentlich schmaler
gemacht werden. Die entsprechend dem Kurvenabfall im Übergangsbereich II' aus dem
ersten Entstörmodul
austretenden, also deutlich amplitudenverminderten,'
Signale können das zweite Entstormodul überhaupt nicht mehr ansteuern.
-
Insoweit ergibt sic,dann unterhalb des Abszissen-Wertes 1 ein nahezu
abruptes Abreißen der Impulsübertragung.
-
Bei einem praktischen Auführungsbeispiel wurden ein Optokoppler K
der Type CNY 18 VI (höchste Güte; Valvo oder Siemens) und ein Ausgangstransistor
T der Type BCX 70 K (höchste Qualität; Tdlefunken oder Valvo) und eine Schottky-Diode
D2 der Type ZC2 800 (Ferranti) gewählt. Die Widerstände betrugen bei einer sekundärseitigen
Gleichspannungsversorgung von 5 Volt: R1 = 1,3 KO R2 = 4,7 Ke; R3 = 2,2 K12 ; R4
" 100Q bis 3 K# ; R5 = 4,7 K-;-; R6 30. . In Verbindung mit einer Kondensatorgröße
von C1 = C2 -100 nF ergab sich eine Ausgangsimpulslänge von 300 Lsec. Die ausgangsseitige
Impulsamplitude entsprach etwa der Versorgungsgleichspannung. Sobald die auf 5 Volt
bemessene Eingangsimpuls-Spannung unter etwa 4 Volt sank, wurde der Ausgangsimpuls
unterdrückt. Entsprechendes trat ein, sobald die Länge des Eingangsimpulses kleiner
als etwa 100 µsec wurde. Die sekundärseitige Gleichspannungsversorgung und damit
die Größe der Ausgangsimpulse konnte bis etwa 30 Volt vergrößert werden, ohne daß
eine Xnderung der Amplitudenschwelle von 75 e und der Impulslängenschwelle von 33
% auftrat. Auch die Länge des Ausgangsimpulses blieb im wesentlichen unverändert.
Bei sekundärseitiger Versorgungsgleichspannung von 5 Volt wurde auch die eingangsseitige
Nutzimpuls-Amplitude von 5 Volt bis 16 Volt vergrößert. Bei Aufrechterhaltung der
genannten Amplituden- und Impulslängenschwellen ergab sich, daß dann der primärseitige
ohmsche Widerstand R1 pro Spannungserhöhung um 1 Volt etwa um 0,8 K# vergrößert
werden mußte. Hieraus ergibt
sich, daß das Entstörmodul in weiten
Grenzen variabel eingesetzt werden kann, wobei dann lediglich der eingangsseitige
Widerstand R1 entsprechend anzupassen ist. Bei allen diesen Versuchen wurde eine
Norm.aldimensionierung im obigen Sinne vorgenommen, und der ansteuerungsmäßigeInnenwiderstand
Ri der Impulsquelle betrug etwa 50 .
-
Hieraus ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Entstörmodul bei ausgezeichneter
Störunterdrückung relativ einfach sowie preiswert herzustellen und zu bemessen ist.
Überdies kann das Ubertragungsverhalten für Sonderfälle durch individuelle Selektierung
der Bauteile und Optimierung der Schaltung gegenüber der Normaldimensionierung noch
wesentlich verbessert werden. Ein derartiger Zusatzaufwand ist jedoch nicht erforderlich,
wenn zwei Entstörmodule der genannten Art hintereinandergeschaltet werden, da diese
Kette selbst im Falle einer Normaldimensionierung der einzelnen Entstörmodule eine
kaum zu überbietende Störsicherheit gewählt leistet.