DE2953275C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine galvanisch trennende Bus­ koppelschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Buskoppelschaltung ist aus der DE-OS 27 02 209 bekannt. Die galvanische Trennung erfolgt bei der bekannten Buskoppelschaltung durch eine optische Trenneinrichtung. Damit ist diese Buskoppelschaltung mit dem Nachteil behaftet, daß sie keine Leistung übertragen kann. Außerdem ist die Schaltung so eingerichtet, daß die Busleitung aktiv sein muß, um Speisestrom zu Phototransistoren zu leiten, die die opti­ sche Trenneinrichtung bilden. Die Buskoppelschaltung wird über ein separat zugeführtes Signal angesteuert, d. h. zur Betätigung der Buskoppelschaltung ist ein externes Signal not­ wendig, das von einer zentralen Datenverarbeitungseinheit zur Verfügung gestellt werden muß.

Die eingangs genannte Buskoppelschaltung ist insbesondere im Falle von Datensendern anwendbar, die weit voneinander ent­ fernt angeordnet sein können, was zur Folge hat, daß erheb­ liche Potentialdifferenzen zwischen den einzelnen Datensen­ dern bzw. Datenübertragungseinrichtungen vorhanden sind. Dem­ zufolge ist es erforderlich, die betreffenden Datensender bzw. Datenübertragungseinrichtungen galvanisch von der langen Busleitung mittels Trenneinrichtungen zu trennen und das Datensignal auf der Busleitung in Form eines Differenzsignals zu übertragen.

Wenn eine einzige Datenübertragungseinrichtung der an ein und derselben Busleitung angeschlossenen vielen Datenübertragungseinrichtungen Datensignale auszusenden bzw. zu übertragen hat, dann dürfen die nicht sendenden bzw. übertragenden Einheiten die Busleitung nicht nennens­ wert belasten. Es ist daher erforderlich, daß jeder Sender bzw. jede Übertragungseinrichtung neben zwei Verknüpfungsübertragungszuständen, in denen die zuge­ hörige Generatorimpedanz niedrig ist, noch einen drit­ ten Zustand aufweist, der als sogenannter "hochohmiger Zustand" bezeichnet wird, bei dem der jeweilige Sender bzw. die jeweilige Übertragungseinrichtung eine hohe Ausgangsimpedaz aufweist, wenn sie keine Datensignale aussendet bzw. überträgt.

Die Trenneinrichtung kann auch ein Transformator sein, dessen Sekundärwicklung die Anschlüsse des Datenausgangs bildet. Weiterhin kann die Trenneinrichtung zur galvanischen Trennung Kondensatoren enthalten.

Ein Transformator wird für die meisten Anwendungen bevor­ zugt, da normalerweise auf der Busleitung eine höhere Signalamplitude erwünscht ist als durch die Ausgangs­ spannung der meisten Verknüpfungsschaltungen gegeben. Für diejenigen Anwendungsfälle, bei denen keine Ampli­ tudenerhöhung erforderlich ist, wird jedoch die Trennein­ richtung billiger in Form zweier Kondensatoren ausgeführt. Weiter unten wird die Erfindung hauptsächlich in Ver­ bindung mit einem Transformator als Trenneinrichtung be­ schrieben werden.

Es sind bereits Koppelschaltungen bekannt, bei denen eine Wicklung des Transformators direkt an der Busleitung an­ geschlossen ist, während die andere Transformatorwicklung an einem Treiber angeschlossen ist, der zur Schaffung eines hochohmigen Zustands eine hohe Ausgangsimpedanz dann aufweist, wenn keine Datensignale übertragen werden.

Dieses Verfahren kann jedoch nur in Verbindung mit mit hoher Übertragungsrate auftretenden Datensignalen ange­ wandt werden, wenn lediglich einige wenige Schaltungen dieses Typs an der gemeinsamen Busleitung angeschlossen sind. Die hohe Ausgangsimpedanz des hochohmigen Zustands der Übertragungsschaltung sollte durch den Transformator selbstverständlich in eine entsprechend hohe Ausgangsimpe­ danz umgesetzt werden. Aufgrund der hohen Übertragungs­ frequenz stellt der Eisenkern des Transformators jedoch eine starke Belastung für die Busleitung dar. Für viele Anwendungsfälle, wie bei Multiplexsystemen, bei denen die Einheiten abwechselnd eine Vielzahl von kurzen Datenblöcken aussenden bzw. übertragen, ist es erwünscht, daß die Koppel­ schaltung eine Umschaltzeit aufweist, die wesentlich kürzer ist als die Umschaltzeit von bzw. für Relais. Infolgedessen kann die Relaistechnik für den betreffenden Zweck nicht angewandt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnell ansprechende Koppelschaltung zu schaffen, die Datensignale von einem Datensender bzw. einer Datenübertragungseinrich­ tung zu einer vielen Datensendern bzw. Datenübertragungs­ einrichtungen gemeinsamen Busleitung übertragen kann und die einen hochohmigen Zustand schafft, was bedeutet, daß viele Koppelschaltungen gemäß der Erfindung an einer ge­ meinsamen Busleitung angeschlossen werden können, ohne daß die betreffende Busleitung dann nennenswert belastet wird, wenn Datensignale nicht übertragen werden.

Gelöst wird das Problem durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Die kontaktlosen Schalter werden lediglich durch das Daten­ signal betätigt, welches von dem Datensender bzw. der Da­ tenübertragungseinrichtung über die Trenneinrichtung ab­ gegeben wird. Die Buskoppelschaltung ist in der Lage, einen hochohmigen Zustand unabhängig von der Ausgangsimpedanz des Datensenders bzw. der Datenübertragungseinrichtung an­ zunehmen. Der Anschluß an eine Stromspeiseschaltung ist nicht erforderlich.

Der kontaktlose Schalter besteht zweckmäßig aus einem Tran­ sistor und die Steuerschaltung kann als Gleichrichterschal­ tung ausgebildet sein, welche mit der Steuerelektrode des Transistors verbunden ist.

Die Transistoren werden zweckmäßig als Feldeffekttransistoren realisiert.

Wenn ein Transistor, der im nichtleitenden Zustand bzw. Trennzustand keinen unendlich großen Widerstand zeigt, als kontaktloser Schalter verwendet wird, dann ruft ein Sender bzw. eine Übertragungseinrichtung eine Spannung an der Gleich­ richterschaltung eines anderen Senders bzw. einer anderen Steuerschaltung für den Transistor hervor, wenn die Trenn­ einrichtung eine hohe Ausgangsimpedanz im Nicht-Übertragungs­ zustand aufweist. Diese Spannung vermindert den Reihenwider­ stand der Transistoren, was zu einer noch höheren Spannung an der Gleichrichterschaltung führt, so daß die erstgenannte Sendeeinrichtung bzw. Übertragungseinrichtung die Buskoppel­ schaltung einer anderen Einheit in einen Öffnungszustand steuert. Dies wird dadurch vermieden, daß unmittelbar nach der Trenneinrichtung und parallel zu ihr eine Widerstandslast liegt. Deren Widerstand wird zweckmäßig so gewählt, daß er niedriger ist als der Widerstand der Transistoren in deren Trenn- bzw. Abschaltzustand.

Die Koppelschaltung gemäß der Erfindung ermöglicht somit, gleichzeitig eine kurze Umschaltperiode, eine relativ hohe Übertragungsrate bzw. Übertragungswirkung und einen hohen Impedanzzustand unabhängig vom Aufbau des Datensenders bzw. der Datenübertragungseinrichtung und der Trenneinrichtung zu erzielen. Die Koppelschaltung ist demgemäß eine klar abgegrenzte, generell verwendbare Schaltung mit wenigen Bauelementen, die keine Stromspeisung erfordert. Die Kop­ pelschaltung ist demgemäß insbesondere für eine inte­ grierte Ausführung auf einem einzigen Halbleiterchip brauchbar.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Koppelschaltung gemäß der Erfindung, wie sie zwischen einer Busleitung und einer Übertragungs-Treiberschaltung mit einem Transformator als Trenneinrichtung angeschlossen ist.

Fig. 2 zeigt eine Übertragungs-Treiberschaltung mit Kondensatoren als Trenneinrichtung.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Koppelschal­ tung 1 gemäß der Erfindung gezeigt. Diese Koppelschal­ tung 1 ist zwischen einem an sich bekannten Treiber 2 und einer Busleitung 3 vorgesehen, die aus einer Ab­ schirmung 4 und zwei verdrallten Innenleitern 5 und 6 besteht, welche an entsprechenden Ausgangsanschlüssen der Koppelschaltung 1 angeschlossen sind.

Bevor die Koppelschaltung selbst beschrieben wird, wird zunächst die Art und Weise, in der der Treiber 2 arbeitet, insbesondere im Zusammenhang mit dem sogenannten hochohmi­ gen Zustand erläutert werden, was bedeutet, daß die Aus­ gangsimpedanz des Treibers 2 in Abhängigkeit von einem am Eingang des Treibers auftretenden Steuersignal T hoch sein kann. Der Treiber 2 weist zwei weitere Eingänge D bzw. auf, denen die Datensignale (und die konjugierten Signale) zugeführt werden, welche über die Busleitung 3 zu übertragen sind. Wenn der Zustand des Eingangsanschlusses T gegeben ist durch den Verknüpfungszustand 1, dann dürfte einzusehen sein, daß die Datensignale D und direkt über UND-Glieder 7 bzw. 8 übertragen werden, um Transistoren 9, 11 bzw. 10, 12 abwechselnd in den leitenden Zustand bzw. in den nichtleitenden Zustand zu steuern, so daß ab­ wechselnd ein Strom durch die beiden Primärwicklungen des Transformators 13 fließt. Die in Fig. 1 nicht näher bezeichneten Dioden dienen in an sich bekannter Weise dazu, die Transistoren 11 und 12 zu schützen, während die in der betreffenden Figur nicht näher bezeichneten Wider­ stände dazu dienen, für eine geeignete Vorspannung der Schaltung in an sich bekannter Weise zu sorgen. Wenn der Zustand am Eingangsanschluß T zum Verknüpfungswert O ge­ ändert werden, werden keine Daten durch die UND-Glieder 7 und 8 hindurchgeleitet, so daß die Transistoren nicht leitend sind. Deshalb verbraucht der Treiber 2 nur wenig Strom, wenn keine Daten übertragen werden. In diesem Zu­ stand ist die Ausgangsimpedanz des Treibers 2, und zwar bei Betrachtung in die Sekundärwicklung 14 des Transforma­ tors 13, hoch.

Gemäß der Erfindung ist die Koppelschaltung 1 so ausgelegt, daß sie für eine Unterbrechung zwischen der Busleitung 3 und dem Transformator 13 in einer solchen Weise sorgt, daß diese Unterbrechung sehr schnell und galvanisch getrennt bezogen auf den Treiber 2 gesteuert werden kann. Bei der dargestellten Ausführungsform erfolgt die Unterbrechung mittels zweier Feldeffekttransistoren 15, 16, deren Senke- Elektroden an den Leitern 5 bzw. 6 angeschlossen sind und deren Quelle-Elektroden an den entsprechenden Enden der Wick­ lung 14 angeschlossen sind. Die Steuerelektrode des Transistors 15 ist an einer Gleichrichterschaltung ange­ schlossen, die eine Diode 17 und einen Kondensator 19 um­ faßt. Die Steuerelektrode des Transistors 16 ist an einer entsprechenden Gleichrichterschaltung angeschlossen, die eine Diode 18 und einen Kondensator 20 umfaßt. Wenn der Treiber 2 Datensignale über den Transformator 13 abgibt bzw. überträgt, wird eine Steuerspannung an den Ver­ bindungsstellen zwischen der Diode 17 bzw. 19 und dem Kondensator 8 bzw.20 hervorgerufen. Die betreffende Steuerspannung steuert die Feldeffekttransistoren 15, 16 in den leitenden Zustand, in welchem diese unabhängig von der Polarität einen Widerstand von einigen wenigen Ohm zeigen, so daß die Datensignale direkt zu der Busleitung 3 über­ tragen werden. Wenn der Treiber 2 keine Datensignale über­ trägt, wird keine Steuerspannung für die Transistoren 15 und 16 erzeugt, die daher im abgeschalteten bzw. nicht­ leitenden Zustand sind, in welchem ein derart hoher Widerstand vorhanden ist, daß die Koppelschaltung 1 keine nennenswerte Belastung auf die Busleitung 3 hervorruft.

Die Koppelschaltung gemäß der Erfindung zeichnet sich ins­ besondere dadurch aus, daß sie neben den bereits erwähnten Eigenschaften noch die Eigenschaft besitzt, sehr schnell zwischen geöffnetem Zustand (kleiner Widerstand) und ge­ schlossenem Zustand (großer Widerstand) umschalten zu können. Wenn die Datenrate beispielsweise in der Größen­ ordnung von 10⁶ Bits pro Sekunde liegt, dann reichen einige Bits aus, um die Transistoren 15 und 16 zu öffnen bzw. in den leitenden Zustand zu bringen. In der Praxis kann dies durch ein kurzes Bitmuster erfolgen, welches dem Datenblock vorangeht, den an die Busleitung 3 über die Koppelschal­ tung 1 zu übertragen erwünscht ist. Dieses Bitmuster ruft eine hinreichende Anzahl von Polaritätsänderungen in Ab­ hängigkeit von den Datendarstellungen hervor, so daß die Koppelschaltung sich im vollständig geöffneten Zustand dann befindet, wenn das auch als Flag bezeichnete Kenn­ zeichen des Datenblockes zu übertragen ist. Mit der Be­ endigung der Datenübertragung geht die Koppelschaltung schnell in den geschlossenen bzw. nichtübertragungsfähigen Zustand zurück, und zwar in Abhängigkeit von der Zeit­ konstante, die bezüglich des Kondensators 19 und eines Widerstands 21 bzw. des Kondensators 20 und eines Wider­ stands 22 gewählt ist. Die Zeitkonstante ist dabei so ge­ wählt, daß die Koppelschaltung in Abhängigkeit von dem Polaritätswechsel der ausgewählten Datendarstellung hin­ reichend lang im offenen bzw. übertragungsfähigen Zustand gehalten werden kann.

Da die Impedanz bei Betrachtung in die Wicklung 14 des Transformators 13 hinreichend hoch ist, wie dies zuvor erläutert worden ist, wenn keine Daten übertragen werden, dürfte einzusehen sein, daß ein Datensignal, welches über die Busleitung 3 von einer anderen Einheit mit der Koppelschaltung 1 im geschlossenen bzw. nichtübertra­ gungsfähigen Zustand übertragen wird, eine Spannung an der Wicklung 14 hervorzurufen imstande ist, und zwar mit Rücksicht darauf, daß der Widerstand der Transisto­ ren 15 und 16 im geschlossenen bzw. nichtleitenden Zu­ stand nicht unendlich hoch ist. Dies schließt das Risiko ein, daß die Spannung an der betreffenden Wicklung so hoch wird, daß die Transistoren 15 und 16 in den leitenden Zustand gelangen, was zu einem zusätzlichen Ansteigen der Spannung an der Wicklung 14 führt, so daß schließlich eine Übertragungseinheit die anderen an der Busleitung 3 ange­ schlossenen Koppelschaltungen in den geöffneten bzw. über­ tragungsfähigen Zustand steuern wird, die ihrerseits eine nachteilige Belastung auf die Übertragungseinheit ausüben. Diese Erscheinung wird durch einen Widerstand 23 vermieden, der über der Wicklung 13 liegt und dessen Widerstandswert in bezug auf den Widerstandswert der Transistoren 15 und 16 in deren Abschaltzuständen bzw. nichtleitenden Zuständen so festgelegt ist, daß die Steuerspannung einen vorbestimm­ ten Wert nicht überschreiten kann.

Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Steuer­ spannungen für die Transistoren 15 und 16 durch Gleich­ richterschaltungen bereitgestellt, die direkt an der Wicklung 14 des Transformators 13 angeschlossen sind. Es dürfte einzusehen sein, daß eine niedere oder höhere Steuerspannung mittels eines Spezialabgriffes an der Wick­ lung 14 oder mittels gesonderter Wicklungen bereitgestellt werden kann. Der Aufbau der in dieser Zeichnung dargestell­ ten Koppelschaltung bringt den Vorteil mit sich, daß ledig­ lich zwei Eingangsanschlüsse vorgesehen sind, die direkt mit der Wicklung 14 verbunden werden können, so daß die Koppelschaltung gemäß der Erfindung besonders geeignet ist für die Herstellung als integrierte Schaltung, die nicht an der Stromquelle anzuschließen ist, sondern die lediglich zwei Eingangsanschlüsse und zwei Ausgangsanschlüsse für die Herstellung einer Verbindung bzw. Koppelung zwischen dem Transformator und der Busleitung aufweist.

Die generelle Anwendung der Schaltung wird ferner aus der Tatsache heraus deutlich, daß es keine Rolle spielt, was für eine Trenneinrichtung in Verbindung mit der Da­ tenübertragungseinrichtung verwendet wird. Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung dient als Ausführungsbeispiel für eine Datenübertragungseinrichtung mit Trennkondensatoren; diese Schaltungsanordnung wird kurz erläutert.

In Fig. 2 ist eine Datenübertragungseinrichtung mit einer Trenneinrichtung in Form von zwei Kondensatoren 24 und 25 gezeigt, die an den entsprechenden Eingangsanschlüssen 26 bzw. 27 der Koppelschaltung 1 angeschlossen ist, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, und die mit ihren Ausgangsanschlüs­ sen 28 und 29 an der Busleitung 3 angeschlossen sein kann, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Wie bei dem in Fig. 1 ge­ zeigten Datensender bzw. der dort gezeigten Datenübertra­ gungseinrichtung weist die Datenübertragungseinrichtung hier zwei UND-Glieder 30, 31 auf, deren Eingänge für ein Steuersignal T und für Datensignale D und dienen. Wenn Daten übertragen werden, werden die Transistoren 32 und 33 abwechselnd leitend sein und Datensignale an die Koppel­ schaltung 1 abgeben. Dies dürfte dadurch verständlich wer­ den, daß beispielsweise angenommen wird, daß der Transistor 32 vom nichtleitenden Zustand in den leitenden Zustand über­ geht, was bedeutet, daß ein Gleichstrom durch den Wider­ stand 34 fließt bzw. aufgenommen wird und daß außerdem ein Stromimpuls durch den Widerstand 35, den Kondensator 25, die Koppelschaltung 1 und den Kondensator 24 fließt. Diese Stromimpulse steuern die Transistoreinrichtungen in der Koppelschaltung 1 in den geöffneten bzw. leitenden Zustand, in welchem Datensignale an die Busleitung übertragen wer­ den. Wenn das Steuersignal T ein Verknüpfungssignal O ist, werden keine Datensignale übertragen, und die Ausgangs­ impedanz der Datenübertragungseinrichtung bei Betrachtung von den Anschlüssen 26 und 27 wird weitgehend gleich dem Parallel-Widerstandswert der Widerstände 34 und 35 bei der Signalübertragungsfrequenz sein. Da jedoch keine Daten übertragen werden, werden die Transistoreinrichtungen ab­ geschaltet bzw. im nichtleitenden Zustand sein, so daß die Ausgangsimpedanz an den Anschlüssen 28 und 29 in wünschenswerter Weise hoch ist, und zwar unabhängig von dem Widerstandswert der Widerstände 34 und 35. Die in Fig. 2 dargestellte Datenübertragungseinrichtung zeigt jedoch einen gewissen Mangel insofern, als Leistung in den Widerständen 34 und 35 dann verbraucht wird, wenn Daten übertragen werden. Die Widerstände 34 und 35 können daher in vorteilhafter Weise durch Transistorelemente er­ setzt werden. Andererseits zeigt die in Fig. 2 dargestellte Schaltung jedoch, daß die Koppelschaltung gemäß der Erfindung auch in Fällen verwendbar ist, in denen die Datenüber­ tragungseinrichtung sehr einfach ist und von sich aus keinen hochohmigen Zustand zeigt.

Claims (5)

1. Galvanisch trennende Buskoppelschaltung für die Übertragung eines Datensignals mit einer hohen Datenüber­ tragungsrate von einer Datenübertragungseinrichtung zu einer für eine Mehrzahl von Datenübertragungseinrichtungen gemein­ samen symmetrischen Busleitung mit einer galvanischen Trenn­ einrichtung und einer Schalteinrichtung zum Durchschalten des Datensignals, die zwischen die galvanische Trenneinrich­ tung und die Busleitung in Reihe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schalteinrichtung (1) in beiden Anschlußleitungen zur Busleitung (3, 4, 5, 6) symmetrisch je ein kontaktloser Schalter (15, 16) eingeschal­ tet ist, der jeweils von dem Datensignal über eine zu ihm gehörende, zwischen den kontaktlosen Schaltern (15, 16) und der galvanischen Trenneinrichtung (13) parallel zu letzterer liegenden Steuerschaltung (18, 20, 22; 17, 19, 21) ange­ steuert ist.

2. Buskoppelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der kontaktlose Schalter aus einem Transistor (15, 16) besteht und die Steuerschaltung als Gleichrichter­ schaltung (17, 19, 21; 18, 20, 22) ausgebildet ist, welche mit der Steuerelektrode des Transistors (15, 16) verbunden ist.

3. Buskoppelschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Transistoren (15, 16) als Feldeffekttran­ sistoren realsiert sind.

4. Buskoppelschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach der Trenneinrichtung (13; 24, 25) und parallel zu ihr eine Widerstandslast (23) liegt.

5. Buskoppelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf einem einzigen Halblei­ tersubstrat integriert ist.