DE4425250C1 - Anordnung zur potentialgetrennten Energie- und Datenübertragung über eine Zweidrahtbusleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur poten­ tialgetrennten Übertragung von Energie und Daten zu und von Geräten, die jeweils an eine Zweidrahtbuslei­ tung angeschlossen werden.

Schaltungsanordnungen zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung sind aus dem Stand der Technik bekannt.

So wird in der DE-OS 40 13 526 eine Schaltungsan­ ordnung zum Übertragen von Daten zwischen mehreren Geräten über eine Busleitung, an welche die Geräte und die Versorgungsspannungsquelle angeschlossen sind, wobei die Geräte jeweils mittels eines Übertragers angekoppelt sind, der zwei Wicklungen gleicher Win­ dungszahl aufweist, die mit ihren einen Anschlüssen mit der Busleitung verbunden sind und zwischen deren anderen Anschlüssen ein Gleichspannungswandler angeschlossen ist, beschrieben, bei der die beiden in Reihe zwischen die Busleitung geschalteten Wick­ lungen gegensinnig gewickelt sind bzw. deren Anschlüsse (Anfang/Ende) gegensinnig geschaltet sind und zwischen dem zum Gleichspannungswandler führenden Anschluß der ersten Wicklung und dem zur Busleitung führenden Anschluß der zweiten Wicklung eine Kapazität liegt.

Die EP 03555 32 bezieht sich gleichfalls auf die Übertragung von Energie und Daten und beschreibt eine Anordnung in der mehrere Geräte an einer Zweidraht­ leitung und einer Versorgungsspannungsquelle ange­ schlossen sind, wobei die Geräte jeweils mittels eines Übertragers angekoppelt sind, der zwei Wicklungen gleicher Windungszahl aufweist, die mit ihren einen Anschlüssen mit der Busleitung verbunden sind und zwischen deren anderen Anschlüssen ein Gleichspannungs­ übertrager angeschlossen ist, wobei ferner an eine dritte Wicklung Sende- und Empfangseinrichtungen angeschlossen sind. Zwischen den beiden ersten Wicklungen des Über­ tragers liegt eine Kapazität, an der die Spannung für den Gleichspannungsüberträger abgenommen ist. Wechselsignale werden in dieser auch als elektronische Weiche bezeichneten Anordnung von der Gleichspannung getrennt und können potentialgetrennt an den Enden der dritten Wicklung ein- und ausgekoppelt werden.

Die Nachteile der bekannten Lösungen liegen darin, daß ein gleichzeitiger bidirektionaler Datenverkehr nicht möglich ist. Bei im NRZ-Code aufmodulierten Signalen ergibt sich das Problem, daß bei mehreren hintereinander gesendeten "1"-Datenbits die übertragene Signal­ amplitude von Bit zu Bit abnimmt und im Extremfall keine Trennung mehr des Signalanteiles von der Gleichspannung erfolgt, was zu Fehlern in der Datenübertragung führen kann.

Die Dimensionierung der elektronischen Weiche be­ stimmt wesentlich die übertragbaren Signalfrequenzen und ist für verschiedene Einsätze in der Praxis je nach gewünschter Datenübertragungsrate neu vorzunehmen, um sicheren Datenverkehr zu gewährleisten. Um auch Energie potentialgetrennt zu übertragen, sind jeweils separate Gleichspannungsübertrager (DC/DC-Wandler) erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung zur potentialgetrennten Energie- und Datenübertragung über eine Zweidrahtbusleitung zu entwickeln, mit dem ein galvanisch getrennter Geräteanschluß ermöglicht wird, sowie ein gleichzeitiger bidirektionaler Datenverkehr möglich ist, mit der, unabhängig von der Signalcodierung und gewünsch­ ter Signalfrequenz eine sichere und qualitativ gleich­ bleibende Datenübertragung ermöglicht wird und wo zur Energieübertragung kein separat anzuschließender Gleichspannungsübertrager notwendig ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, wobei vorteilhafte Aus­ führungs- und Gestaltungsmöglichkeiten Gegenstand von Unteransprüchen sind.

Die erfindungsgemäße Lösung wird in einem Schaltungsmodul vergegenständlicht, mit dem ein galvanisch getrennter Ge­ räteanschluß ermöglicht wird und ein gleichzeitiger bidirektionaler Datenverkehr möglich ist.

Das erfinderische Schaltungsmodul ist besonders geeignet beim Einsatz in der dezentralen Prozeßautomatisierung, bei der räumlich entfernte Geräte mit einer gemein­ samen Busleitung verbunden werden, über welche der Datenverkehr zwischen den Geräten erfolgt und über welche Versorgungsenergie für die Geräte zur Verfügung ge­ stellt wird. Die Größenordnungen von Gleichtaktstörungen, bedingt durch Erdpotentialunterschiede, machen dabei einen generellen potentialgetrennten Anschluß von Bus­ geräten an die Busleitung notwendig.

Desgleichen eignet sich dieses Schaltungsmodul zum Anschluß von Geräten in eigensicheren Feldbussystemen (bei Explosionsschutzanforderungen), bei welchen die Energieversorgung von Busgeräten über die Busleitung vorgenommen werden muß.

Die Erfindung soll an Hand des folgenden Ausführungsbei­ spieles näher erläutert werden.

Die dazugehörige Zeichnung zeigt in

Fig. 1 das Schaltbild des erfindungsgemäßen Schalt­ moduls

Fig. 2 ein Einsatzbeispiel der Lösung an einem Zweidraht­ system

Fig. 3 ein weiteres Einsatzbeispiel an einem Zweidraht­ bussystem.

In Fig. 1 sind mit K1 und K2 die beiden Anschlußklemmen bezeichnet, mit denen das erfindungsgemäße Schaltungsmodul an die beiden Leitungen BL1 und BL2 eines seriellen Zwei­ drahtbusses angeklemmt wird. Ein Anschluß der Primärwick­ lungen W11 und W21 der beiden induktiven Übertrager Ü1 und Ü2 wird miteinander verbunden und an die Eingangslei­ tung E11 angeschlossen.

Der zweite Anschluß der Primärwicklung W11 wird an den Drain-Anschluß des Schalttransistors T1 geklemmt, der zweite Anschluß der Primärwicklung W21 an den Drain- Anschluß des Schalttransistors T2.

Die Source-Anschlüsse von T1 und T2 werden miteinander verbunden und an die Eingansleitung E12 angeschlossen. Die Sekundärwicklungen W21 und W22 der Übertrager Ü1 und Ü2 werden nach einer Einweggleichrichtung über die Gleich­ richterdioden D1 bzw. D2 parallel aufgeklemmt und mit den Ausgangsklemmen K3 und K4 verbunden.

Im Prinzip ähnelt der Aufbau einer Parallelschaltung zweier Durchflußwandler unter Verzicht auf sekundär­ seitige Speicherdrossel, Stützkondensator und Frei­ laufdiode.

Die Verwendung kleiner Übertragerinduktivitäten und Kernwerk­ werkstoffen mit schmaler Hysteresisschleife und kleiner Koerzitivfeldstärke bei der Übertragung von geringen Leistungen erlaubt den Verzicht auf Entmagnetisierungswick­ lungen, da dabei die während der Sperrphase des Übertragers im Kern verbleibende magnetische Restenergie minimal ist und dadurch Sperrströme der Transistoren und Dioden wieder abge­ baut werden, so daß eine langsame Vormagnetisierung sind da­ mit eine Sättigung des Übertragerkernes vermieden wird.

Beide induktive Übertrager sind sinnvollervollerweise gleicher Bauart mit gleichen elektrischen Para­ metern und weitgehendest voneinander magnetisch entkoppelt.

Primär- und Sekundärinduktivitäten sind gleichsinnig gewickelt, das Übersetzungsverhältnis beider Übertrager muß gleich groß sein und ist am zweckmäßigsten 1 : 1 vorzusehen.

Die Ansteuerimpulse für die Schalttransistoren werden mittels einer Impulserzeugerschaltung (IS) gewonnen, welche an ihren beiden Ausgängen A1 und A2 zwei im Gegentakt laufende Rechteckspannungsimpulsfolgen liefert.

Das Tastverhältnis der jeweiligen Impulsfolge ist größer gleich 0,5 vorzusehen und sollte bei idealer Arbeitsweise der Schaltung gleich 0,5 betragen. Dadurch wird gewähr­ leistet, daß sich zu jedem Zeitpunkt mindestens ein An­ steuerimpuls auf High-Pegel befindet.

Die Impulserzeugerschaltung kann z. B. durch einen astabilen Multivibrator realisiert werden, der an seinen beiden Ausgängen zwei symmetrische und im Gegentakt zueinander liegende Rechteckspannungsimpulsfolgen liefert.

Die Spannungsversorgung von IS wird durch Anschluß an die beiden Eingangsleitungen E11 und E12 vorgenommen. Die Gate-Anschlüsse von T1 bzw. T2 werden mit jeweils einem Ausgang der Impulserzeugerschaltung verbunden.

Zum Wirkungsablauf

Die beiden Transistoren öffnen wechselseitig im Takt der Ansteuerimpulse und führen zu einer Zerhackung der auf EL und EL2 liegenden Spannung in zwei annähernd gleich große Spannungsteile. Diese zerhackten Spannungsteile werden während der Öffnungszeit des jeweiligen Transistors auf die Sekundärseite des jeweiligen vom Strom durchflossenen induktiven Übertragers galvanisch getrennt ,übertragen und durch das parallele Aufklemmen der Sekundärwick­ lungen wieder zusammengefügt, d. h. an den Ausgangs­ klemmen K3 und K4 steht der gleiche Eingangsspannungsver­ lauf wie an K1 und K2 galvanisch getrennt dazu wieder zur Verfügung.

Es wird zur gleichen Zeit auf dem selben Weg übertragen, der auf den Busleitungen liegende Gleichspannungsanteil als auch die dort aufmodulierten Spannungssignale.

Dadurch, daß garantiert ist, daß sich zu jedem Zeit­ punkt mindestens einer der Übertrager in Flußphase be­ findet, kann auch jede, zum gleichen Zeitpunkt auf der Busleitung eintreffende Information (Spannungssignal) plus dem zur Energieversorgung dienenden Gleichspan­ nungsanteil durch den entsprechenden Wandler galvanisch getrennt auf die Sekundärseite übertragen werden. Daten werden in Echtzeit unverzerrt und verlustfrei übertragen, wobei die übertragbaren Signalfrequenzen unabhängig und deutlich höher sein können als die Einschaltfrequenzen der Schalttransistoren!

Eine Anpassung der Schaltung an niedrige oder hohe Signalfrequenzen ist nicht notwendig. Speicherdrosseln und Stützkondensatoren am sekundärseitigen Ausgang entfallen, da zu jedem Zeitpunkt lückenlos Versorgungs­ energie zum Betrieb der angeschlossenen Busgeräte zur Verfügung gestellt werden kann.

Das Senden von Daten vom Busgerät auf die Busleitung geschieht durch das Hervorrufen von sekundärseitigen Belastungsschwankungen mittels Schalttransistor T3 und Sendewiderstand RSende.

Dabei legt das Busgerät, je nach gewünschter Bitfolge, Sendespannungsimpulse an den Sendeanschluß SE, der auf die Basis von T3 führt. Dieser öffnet im Takt der Sende­ impulse und ruft Belastungsschwankungen hervor, welche durch den jeweiligen sich in Flußphase befindlichen Übertrager auf die Busleitung galvanisch getrennt über­ tragen werden und dort als Stromsignale zur Verfügung stehen.

Auch hier ist die übertragbare Signalfrequenz unab­ hängig von der Einschaltfrequenz der Transistoren T1 und T2.

Durch die Wahl zweier unterschiedlicher Signalträger (Spannung und Strom) ist ein gleichzeitiger bidirekti­ onaler und unabhängig voneinander wirkender Datenver­ kehr über das Schaltungsmodul möglich, d. h. die Bus­ geräte können Daten sowohl gleichzeitig senden als auch empfangen.

Fig. 2 zeigt ein Einsatzbeispiel der Erfindung an einem Zweidrahtbussystem mit einem Busmaster und mehreren Slaves.

Die Übertragungsmodule sind Schaltungsmodule nach Fig. 1 mit den entsprechenden Ein- und Ausgangsklemmen, an denen auf der einen Seite der Bus und auf der anderen Seite die Busgeräte 1 . . . 4 . . . n angeschlossen sind und als Slaves fungieren.

Zweckmäßigerweise können die Übertragungsmodule auch in den Busgeräten mit integriert werden. Der zentrale Bus­ steuergerät in Form eines Busmasters enthält die Zentral­ einheit und die gesteuerte Busspannungsquelle, welche die Versorgungsspannung für die Busgeräte bereitstellt sowie in Steuerung von der Zentraleinheit Spannungs­ signale auf den Bus sendet. Die Busgeräte empfangen vom Busmaster Spannungssignale und senden an diesen Strom­ signale.

Zur Auskopplung der Stromsignale dient eine Stromsignal­ auskoppelschaltung, welche sehr niederohmig auszuführen ist, damit die Verluste gering bleiben.

Dadurch, daß der Busmaster Stromsignale empfängt und Spannungssignale sendet und die Busgeräte Spannungs­ signale empfangen und Stromsignale senden, ist ein gleich­ zeitiger bidirektionaler Datenverkehr zwischen Busmaster und Geräten bzw. Slaves möglich.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Einsatzbeispiel der Erfindung an einem Zweidrahtbussystem mit zentraler Busspannungs­ quelle, das Multimasteranwendungen erlaubt.

Sämtliche an den Bus angeschlossenen Geräte senden Strom­ signale und empfangen Spannungssignale. Die Busgeräte können dabei Busmaster oder Slaves sein, es können mehrere Busmaster am Zweidrahtbus angeschlossen werden.

Die zentrale Busspannungsquelle liefert an alle Busgeräte die Versorgungsenergie über die Übertragungsmodule galvanisch getrennt.

Sendet ein Busgerät Daten über den Bus an andere Geräte, geschieht dies in Form von Stromsignalen. Da die Geräte jedoch nur Spannungssignale verstehen, werden die Strom­ signale im zentralen Busspeisegerät mit einer sehr nieder­ ohmigen Auskoppelschaltung ausgekoppelt.

Diese ausgekoppelten Signale steuern die steuerbare Bus­ spannungsquelle aus deren Ergebnis Spannungssignale auf dem Bus entsprechend der Stromsignale entstehen und so­ mit eine Kummunikation der Geräte untereinander möglich ist. Durch die Möglichkeit des bidirektionalen Datenver­ kehrs über die Übertragermodule kann jedes Gerät sich beim Senden selber wieder auf dem Bus mithören und seine Sendedaten auf Richtigkeit überprüfen.

Dies ist z. B. bei solchen Bussystemen notwendig, die nach dem System der bitweisen Arbitration arbeiten.

Das potentialgetrennte Übertragen der auf einer Zweidraht­ busleitung anliegenden Gleichspannung und der darauf aufmodu­ lierten Spannungssignale an die Geräte des Bussystems erfolgt dadurch, daß die Primärwicklungen W11 und W21 der beiden induktiven Übertrager Ü1 und Ü2 durch die im Gegentakt aus einer Impulserzeugerschaltung IS, welche ihre Versorgungs­ spannung von der Busleitung bezieht, angesteuerte Schalt­ transistoren T1 und T2 jeweils abwechselnd an die beiden Busleitungen BL1 und BL2 geschalten werden und somit zu einer Zerhackung der anliegenden Busspannung UBus führen.

Die Anschlüsse der Sekundärwicklungen W12 und W22 werden über die Einweggleichrichterdioden D1 und D2 zusammen­ geklemmt, so daß die durch T1 und T2 und über Ü1 und Ü2 potentialgetrennt übertragenen zerhackten Spannungsteile wieder zusammengefügt werden und somit der Busspannungs­ verlauf an den Ausgangsklemmen K3 und K4 als UGerät gal­ vanisch getrennt gegenüber dem Zweidrahtbus abgegriffen werden kann. Das potentialgetrennte Einkoppeln von Daten­ signalen von den Geräten des Bussystems auf die Busleitung erfolgt durch das Hervorrufen von sekundärseitigen Bela­ stungsschwankungen mittels T3 und RSende, welches zu entsprechenden Stromsignalen auf der Busleitung führt. Durch die Wahl zweier unterschiedlicher Informations­ träger (Spannung und Strom) ist ein gleichzeitiger bidi­ rektionaler Datenverkehr über das Schaltungsmodul möglich.

Claims (8)

1. Anordnung zur potentialgetrennten Energie- und Datenübertragung über eine Zweidrahtleitung, dadurch gekennzeichnet, daß

• - über ein Schaltungsmodul potentialgetrennt Spannungssignale empfangen und Stromsignals, somit einen Datenverkehr zeitparallel ermöglichend, gesendet werden und eine gleichzeitige Energieübertragung erfolgt, wobei
• - das Schaltungsmodul an den Busleitungen (BL1 und BL2) eines seriellen Zweidrahtbusses an den Anschlußstellen (K1 und K2) geklemmt ist,
• - Primärwicklungen (W11 und W21) abwechselnd, im Gegentakt und im Tastverhältnis =0,5, über angesteuerte Schalttransistoren (T1 und T2) an den Busleitungen (BL1 und BL2) geschaltet sind,
• - die Sekundärwicklungen (W12 und W22) über die Einweggleichrichterdioden (D1 und D2) parallel geklemmt sind und
• - die durch die angesteuerten Schalttransistoren (T1 und T2) sowie den Überträgern (Ü1 und Ü2) potentialgetrennt übertragenen zerhackten Spannungsteile wieder zusammengeführt und an den Ausgangsklemmen (K3 und K4) anliegen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulserzeugnisschaltung (IS) an den Busleitungen (BL1 und BL2) angeschlossen und zwischen den Schalt­ transistoren (T1 und T2) angeordnet sind.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Busspannungsverlauf an den Ausgangsklemmen (K3 und K4) als U-Gerät galvanisch getrennt, gegenüber dem Zweidrahtbus abgegriffen werden kann.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Leitungen zu den Ausgangsklemmen (K3 und K4) ein Sendewiderstand (R-Sende) und einen Sendeanschluß (SE) aufweisender Schalttransistor (T3) angeordnet sind.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das potentialgetrennte Einkoppeln von Datensignalen von den Geräten des Bussystems auf die Busleitung durch das Hervorrufen von sekundärseitigen Belastungsschwankungen mittels des Schalttransistors (T3) und dem Sendewiderstand (R-Sende) erfolgt, wobei entsprechende Stromsignale auf der Busleitung hervorgerufen werden.

6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltungsmodule ausgebildete Übertragungsmodule (1 bis n) zwischen den als Slaves fungierenden Busgeräten (1 bis n) und der Zweidrahtbusleitung, an den Eingangs- und Ausgangsklemmen (K11-K14; K21-K24; K31-K34; K41-K44) geklemmt, angeordnet sind.

7. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Busgeräte (1 bis 4) alternativ als Slaves oder Master ausgeführt bzw. geschaltet sind.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die als Slaves oder Master arbeitenden Busgeräte (1 bis n) einer zentralen Busspannungsquelle, welche Spannungssignale in Abhängigkeit von Stromsignalen auf einer Busleitung erzeugt, zugeordnet sind.