DE102010062310A1 - Circuit arrangement for transmitting a digital signal with an optocoupler - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Übertragung eines Digitalsignals mit einem Optokoppler (U1) sowie ein Feldgerät (1) mit einer derartigen Schaltungsanordnung. Oftmals werden Schaltungskonzepte gewünscht, die im Fehlerfall einen definierten/sicheren Zustand erzeugen. Durch Ansteuerung des Optokopplers (U1) mit einem Rechtecksignal über eine Reihenschaltung aus einem Kondensator (C1) und einem Widerstand (R1) wird der Optokoppler nicht nur bei einem Bruch oder Kurzschluss der Zuleitung, sondern auch bei einem Schluss gegen die Betriebsspannung in einen definierten Zustand gebracht. Allerdings ginge der Spannungshub auf etwa die Hälfte der ursprünglichen Amplitude zurück und das Ansteuersignal für den Optokoppler wäre symmetrisch zum Bezugspotential am Verbindungspunkt (AC) des Kondensators (C1) mit dem Widerstand (R1). Wird zwischen Verbindungspunkt (AC) und das Bezugspotential zusätzlich eine Gleichrichterdiode (D1) mit ihrer Kathode am Verbindungspunkt (AC) geschaltet, so erhält man annähernd die ursprüngliche Amplitude. Durch diese Schaltungsanordnung wird auch bei vergleichsweise geringer Betriebsspannung eine zuverlässige Übertragung des Digitalsignals gewährleistet. Zur Glättung des Ausgangssignals kann an einen Ausgangsanschluss (OUT) des Optokopplers (U1) ein Glättungskondensator (C2) angeschlossen werden.The invention relates to a circuit arrangement for transmitting a digital signal with an optocoupler (U1) and a field device (1) with such a circuit arrangement. Often, circuit concepts are desired that generate a defined / safe state in the event of a fault. By controlling the optocoupler (U1) with a square-wave signal via a series connection of a capacitor (C1) and a resistor (R1), the optocoupler is not only in a defined state in the event of a break or short circuit in the supply line, but also in the event of a short to the operating voltage brought. However, the voltage swing would decrease to about half the original amplitude and the control signal for the optocoupler would be symmetrical to the reference potential at the connection point (AC) of the capacitor (C1) with the resistor (R1). If a rectifier diode (D1) is also connected between the connection point (AC) and the reference potential with its cathode at the connection point (AC), approximately the original amplitude is obtained. This circuit arrangement ensures reliable transmission of the digital signal even with a comparatively low operating voltage. To smooth the output signal, a smoothing capacitor (C2) can be connected to an output connection (OUT) of the optocoupler (U1).
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Übertragung eines Digitalsignals mit einem Optokoppler sowie ein Feldgerät zur Prozessinstrumentierung mit einer derartigen Schaltungsanordnung.The invention relates to a circuit arrangement for transmitting a digital signal with an optocoupler and a field device for process instrumentation with such a circuit arrangement.
In prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Prozessen vielfältige Feldgeräte für die Prozessinstrumentierung eingesetzt. Messumformer dienen zur Erfassung von Prozessvariablen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Durchflussmenge, Füllstand, Dichte oder Gaskonzentration eines Mediums. Durch Stellglieder kann der Prozessablauf in Abhängigkeit von erfassten Prozessvariablen entsprechend einer beispielsweise von einer Leitstation vorgegebenen Strategie beeinflusst werden. Als Beispiele für Stellglieder seien ein Regelventil, eine Heizung oder eine Pumpe genannt. Zur Übertragung von Prozessvariablen und von Feldgeräteparametern ist an den Feldgeräten eine Kommunikationsschnittstelle vorgesehen, die beispielsweise eine Kommunikation über eine Zweidrahtleitung oder eine drahtlose Kommunikation ermöglicht. Für eine drahtgebundene Kommunikation sind in der Prozessautomatisierung beispielsweise PROFINET, PROFIBUS, Ethernet-IP oder MODBUS TCP verbreitet. Mit einer 4 bis 20 mA-Schnittstelle kann eine Verbindung zwischen Feldgerät und beispielsweise einem Automatisierungsgerät realisiert werden, bei welcher mit einem analogen Stromsignal gleichzeitig ein Wert einer Prozessvariablen und die zum Betrieb des Feldgeräts erforderliche Hilfsenergie übertragen werden.In process engineering plants, a variety of field devices are used for process instrumentation to control processes. Transmitters are used to record process variables, such as temperature, pressure, flow rate, level, density or gas concentration of a medium. By means of actuators, the process flow can be influenced as a function of detected process variables in accordance with a strategy predetermined, for example, by a control station. As examples of actuators may be mentioned a control valve, a heater or a pump. For the transmission of process variables and field device parameters, a communication interface is provided on the field devices, which enables, for example, communication via a two-wire line or wireless communication. For wired communication, for example, PROFINET, PROFIBUS, Ethernet-IP or MODBUS TCP are used in process automation. With a 4 to 20 mA interface, a connection between the field device and, for example, an automation device can be realized in which an analog current signal simultaneously transmits a value of a process variable and the auxiliary energy required for operating the field device.
Ein derartiges Feldgerät mit 4 bis 20 mA-Schnittstelle ist beispielsweise aus der
In der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Übertragung eines Digitalsignals mit einem Optokoppler zu schaffen, die bei vergleichsweise geringer Betriebsspannung eine zuverlässige Übertragung des Digitalsignals ermöglicht.The invention is therefore based on the object to provide a circuit arrangement for transmitting a digital signal with an opto-coupler, which enables reliable transmission of the digital signal at comparatively low operating voltage.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Schaltungsanordnung zur Übertragung eines Digitalsignals mit einem Optokoppler die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind eine vorteilhafte Weiterbildung sowie ein Feldgerät zur Prozessinstrumentierung mit einer derartigen Schaltungsanordnung beschrieben.To solve this problem, the new circuit arrangement for transmitting a digital signal with an optocoupler on the features specified in
Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie gleichzeitig verschiedene Diagnosemöglichkeiten der Schaltungsanordnung bietet und dass die Schaltungsanordnung auch bei geringer Betriebsspannung einen vergleichsweise hohen Strom zur Ansteuerung einer im Optokoppler befindlichen Leuchtdiode ermöglicht, so dass eine sichere Übertragung eines Digitalsignals über den Optokoppler gewährleistet werden kann. Zudem zeichnet sie sich durch die Verwendung besonders einfacher und preisgünstiger Bauelemente aus, so dass die mit der Schaltungsanordnung verbundenen Kosten vergleichsweise niedrig sind. Die Schaltungsanordnung ist besonders vorteilhaft in Feldgeräten zur Prozessinstrumentierung einsetzbar, da durch sie die Erfüllung der Zielanforderungen unterstützt wird und da sie zudem mit vergleichsweise niedrigem Energieverbrauch betreibbar ist.The invention has the advantage that it simultaneously offers various diagnostic options of the circuit arrangement and that the circuit arrangement enables a comparatively high current to drive a light-emitting diode located in the optocoupler, even at low operating voltage, so that reliable transmission of a digital signal via the optocoupler can be ensured. In addition, it is characterized by the use of particularly simple and inexpensive components, so that with the Circuit arrangement associated costs are relatively low. The circuit arrangement can be used particularly advantageously in field instruments for process instrumentation, since it supports the fulfillment of the target requirements and because it can also be operated with comparatively low energy consumption.
Oftmals werden Schaltungskonzepte gewünscht, die im Fehlerfall einen definierten/sicheren Zustand erzeugen.Often, circuit concepts are desired that generate a defined / safe state in the event of a fault.
Durch Ansteuerung des Optokopplers mit einem Rechtecksignal über einen Kondensator wird der Optokoppler nicht nur bei einem Bruch oder Kurzschluss der Zuleitung, sondern auch bei einem Schluss gegen die Betriebsspannung in einen definierten/sicheren Zustand gebracht. Das Rechtecksignal kann auch als positives gepulstes Spannungssignal oder als Wechselsignal bezeichnet werden.By driving the optocoupler with a square wave signal across a capacitor, the optocoupler is brought into a defined / safe state not only in case of a break or short circuit of the supply line, but also at a conclusion against the operating voltage. The square wave signal can also be referred to as a positive pulsed voltage signal or as an alternating signal.
Durch die in Sperrrichtung auf den Mittelpunkt der Reihenschaltung aufgeschaltete Gleichrichterdiode wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die auf die Eingangsleuchtdiode des Optokopplers gegebene Spannungsamplitude deutlich angehoben wird und fast die Pulsamplitude des gepulsten Spannungssignals erreicht. Dadurch wird auch bei geringer Betriebsspannung ein sicheres Schalten des Optokopplers gewährleistet.The rectifier diode, which is connected in the reverse direction to the center of the series connection, achieves in an advantageous manner that the voltage amplitude applied to the input light-emitting diode of the opto-coupler is significantly increased and almost reaches the pulse amplitude of the pulsed voltage signal. As a result, a safe switching of the optocoupler is ensured even at low operating voltage.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird an einen Ausgang des Optokopplers, an welchem das übertragene Digitalsignal abgreifbar ist, ein Glättungskondensator angeschlossen. Dadurch wird bei konstantem Wert des Digitalsignals ein nahezu konstanter, hoher Pegel des Ausgangssignals erzielt.In a particularly advantageous embodiment, a smoothing capacitor is connected to an output of the optocoupler, to which the transmitted digital signal can be tapped off. As a result, a constant, high level of the output signal is achieved with a constant value of the digital signal.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.With reference to the drawings, in which an embodiment of the invention is shown, the invention and refinements and advantages are explained in more detail below.
Es zeigen:Show it:
In
Neben der 4 bis 20 mA-Schnittstelle verfügt der Messumformer
Anhand des in
Der mit der Wechselspannungsquelle V1 erzeugte Verlauf
In diesen Fällen wird nämlich durch den Kondensator C1, der eine Barriere für Gleichspannungssignale darstellt, die Signalübertragung gesperrt. Am Transistorausgang des Optokopplers wird im Simulationsmodell gemäß
Bei der Simulation wurden die folgenden Bauelemente eingesetzt:
C1 – 1000 nF,
C2 – 100 nF,
R1 – 10 kΩ,
R2 – 100 kΩ,
V1 – 0 ... 3 V,
V2 – 3 V,
D1 – Typ 1N5817 und
U1 – Typ PC817A.The following components were used in the simulation:
C1 - 1000 nF,
C2 - 100 nF,
R1 - 10 kΩ,
R2 - 100 kΩ,
V1 - 0 ... 3 V,
V2 - 3V,
D1 - Type 1N5817 and
U1 - Type PC817A.
Anhand des Verlaufs
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Effective date: 20121106 |