DE4340950A1 - Vorrichtung zum Umwandeln eines Spannungswertes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Umwandlung des Spannungswertes einer Eingangsspannung zur Minimierung des Energieverbrauchs und in solcher Weise, daß Rauschen, das die Eingangsspannung aufweist, elimi­ niert wird.

Es ist üblich, daß ein Empfänger in einem Fahrstuhl- oder Aufzugsystem einen Spannungswertwandler aufweist zum Umwandeln der Spannung eines gesendeten Signals in einen Wert, der geeignet ist für die mit dem Empfänger verbundene Schaltungsanordnung.

Eine große Menge Rauschens ist bei der Übertragung und dem Empfang elektrischer Signale in einem Aufzugssystem inhärent vorhanden, und zwar aufgrund der Verwendung vieler elektrischer und elektronischer Komponenten, die einen weiten Bereich von Spannungs- und Stroman­ forderungen haben. Um mit dem Rauschen fertigzuwerden, das durch Kurzschlüsse und Erdschleifen in der Verdrahtung und Verkabelung des Fahrstuhlsystems verursacht wird, ist es üblich, einen Spannungswert­ wandler zu verwenden, der einen optischen Koppler enthält. Mit anderen Worten, eine Eingangsspannung wird in ein optisches Signal umgewan­ delt, wenn ein Strom durch eine lichtemittierende Diode (LED) einer Primärseite des optischen Kopplers fließt. Die Sekundärseite des opti­ schen Kopplers ist elektrisch von der Primärseite und damit verbundener fehlerhafter Verdrahtung getrennt und empfängt optische Signale, von denen ein Spannungssignal rekonstruiert wird, das der Eingangsspannung gleich oder ähnlich ist. Die Spannung über der LED wird dadurch redu­ ziert, daß ein Leistungswiderstand in Reihe mit dem optischen Koppler angeordnet wird.

Eine Möglichkeit, mit induziertem oder kapazitiv eingekoppeltem Rauschen fertigzuwerden, besteht darin, die Eingangsimpedanz des Spannungswertwandlers durch Verringerung des Widerstandswertes niedriger zu machen, wodurch der Strom erhöht wird, der benötigt wird, um die LED des optischen Kopplers einzuschalten. Das ist eine nach­ teilig wirkende Lösung des Rauschproblems, und zwar wegen des hohen Energieverbrauchs des Spannungswertwandlers, der durch einen hohen Strom verursacht wird, der zum Einschalten der LED benötigt wird. Außerdem machen die Kosten eines Leistungswiderstandes, der hohe Ströme vertragen kann, diesen Spannungswertwandler vom Kosten­ gesichtspunkt aus unattraktiv. Der Spannungswertwandler ist außerdem unattraktiv von einem Herstellungsgesichtspunkt aus, da die Größe eines solchen Leistungswiderstandes den Spannungswertwandler ungeeignet für surface mounting, also Oberflächenmontage, macht.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Wert einer Ein­ gangsspannung umzuwandeln und gleichzeitig Rauschen im Eingangs­ signal zu reduzieren, und zwar mit einem Minimum an bei der Um­ wandlung verbrauchter Energie.

Gemäß der Erfindung lädt ein Wandler, der eine Eingangsspannung auf einen bestimmten Spannungswert umwandelt und eine hohe Eingangs­ impedanz aufweist, ein Speicherelement auf, das Strom zu einer LED hin entlädt, die einen Lichtimpuls zur Erzeugung einer hinsichtlich des Spannungswertes gewandelten Version der Eingangsspannung erzeugt. Gemäß der Erfindung erlaubt außerdem ein mit dem Speicherelement verbundener Widerstand dem Speicherelement, Rauschspitzen in der Eingangsspannung zu entladen.

Vorteile der vorliegenden Erfindung umfassen:

• a) einen Spannungswertwandler mit einer hohen Eingangs­ impedanz und somit einem niedrigen Energieverbrauch aufgrund des Impulsbetriebes des optischen Kopplers und
• b) reduziertes Rauschen aufgrund des mit dem Speicherele­ ment verbundenen Widerstandes.

Die Erfindung wird nun anhand einer Ausführungsform näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Spannungswertwandlers; und

Fig. 2 Zeitdiagramme von Spannungen in dem in Fig. 1 gezeigten Spannungswertwandler

Fig. 1 zeigt einen Spannungswertwandler 10 der im wesentlichen umfaßt:

• (a) einen Kondensator 12, der über einen Widerstand R_S 14 von einer Eingangsspannung U_IN geladen wird,
• (b) eine lichtemittierende Diode (LED) 16 eines optischen Kopplers 18, die einen Lichtimpuls jedesmal dann erzeugt, wenn sich der Kondensator 12 entlädt, und
• (c) einen lichtempfindlichen monostabilen Multivibrator 20, der eine digitale Ausgangsspannung in Abhängig­ keit von dem Lichtimpuls erzeugt.

Der Impulsbetrieb des optischen Kopplers 18 ermöglicht es, daß der Vorgang der Spannungswertwandlung minimale Energie verbraucht.

Die Primärseite des Spannungswertwandlers 10 umfaßt drei zusätzliche Komponenten zum Erreichen von drei zusätzlichen Zwecken:

• (a) einen Widerstand R_P 22 ermöglicht, daß Rauschspitzen in der Eingangsspannung U_IN, die den Kondensator 12 aufladen, über den Widerstand R_P 22 entladen werden,
• (b) einen spannungsgesteuerten Schalter in Form eines DIAC 24 und einen Spannungsteiler 26 (siehe den Widerstand oben) zur Begrenzung der Spannung, die über der LED 16 angelegt wird,
• (c) einen Vollwellengleichrichter 28, so daß der Span­ nungswertwandler 10 Werte sowohl von Wechselspan­ nungen als auch von Gleichspannungen umwandeln kann.

Die Sekundärseite des Spannungswertwandlers 10 umfaßt innerhalb des monostabilen Multivibrators 20 ein Tiefpaßfilter 30 zum Zurückweisen von Hochfrequenzanteilen der Eingangsspannung I_IN, wie Rauschspitzen.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 die Eingangsspannung U_IN, die über Eingangs­ anschlüssen 32, 34 angelegt wird, um den Kondensator 12 über den Widerstand R_S 14 zu laden, wodurch eine Spannung U_CAP über dem Kondensator 12 aufgebaut wird.

Wenn die Eingangsspannung U_IN aus einer kurzen Rauschspitze besteht, lädt diese kurze Rauschspitze den Kondensator 12 und wird über den Widerstand R_P 22 entladen, so daß sie nicht zum Einschalten der LED 16 beiträgt. Eine Rauschspitze könnte sich niemals über R_S 14 entladen, da der Widerstand R_S 14 immer entweder mit der Eingangsspannung U_IN oder mit nichts verbunden ist; die Eingangsspannung U_IN wird dem Spannungswertwandler 10 zugeführt, da ein Relais 37 darauf anspricht, wodurch ein Relaiskontakt 38 geschlossen wird.

Wenn die Eingangsspannung U_IN länger ist als eine kurze Rauschspitze, lädt sich der Kondensator 12 auf und entlädt periodisch einen Strom i zu dem DIAC 24, was ein periodisches Einschalten der LED 16 bewirkt.

Der Spannungswertwandler 10 umfaßt den spannungsgesteuerten Schalter in Form des DIAC 24, um den Strom i an einen Spannungsteiler 26 zu liefern, der einen Widerstand R₀₁ 40 und einen Widerstand R₀₂ 42 aufweist; der DIAC 24 und der Spannungsteiler 26 wirken zusammen, um die der LED 16 zugeführte Spannung zu begrenzen, da die billigsten auf dem Markt erhältlichen DIACs Ausgangsspannungen aufweisen, die nicht zu der Spannung passen, die für das Einschalten der LED 16 benötigt wird.

Der DIAC 24 ist verantwortlich für das Schwingen der Schaltung und den Pulsbetrieb der LED 16. Da der DIAC bei einem Spannungsschwel­ lenwert einschaltet, der dicht bei dem Einschaltschwellenwert der LED liegt, und in Abhängigkeit von der Entladung des Kondensators 12 aus­ schaltet, bildet der DIAC 24 zusammen mit dem Kondensator 12 und dem Widerstand R_S 14 einen Multivibrator.

Der Spannungswertwandler 10 umfaßt den Vollwellengleichrichter 28, um sicherzustellen, daß eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung U_IN die LED 16 einschalten kann.

In Abhängigkeit von dem Strom i, der von dem Kondensator 12 entladen wird, liefert die LED 16 periodisch einen Lichtimpuls an einen licht­ empfindlichen Schalter 44 der monostabilen Multivibratorschaltung 20, so daß ein Strom vom Kollektor C zum Emitter E geleitet wird. Die Häufigkeit, mit welcher die LED 16 Lichtimpulse an den lichtempfindli­ chen Schalter 44 liefert, ist eine Funktion der Häufigkeit des Ladens und Entladens des Kondensators 12. Wenn der lichtempfindliche Schalter 44 nicht eingeschaltet ist, lädt eine Spannungsquelle V_CC einen Kondensator C_LP 46 eines Tiefpaßfilters 30 über einen Widerstand R_C 48 und einen Widerstand R_LP 50 des Tiefpaßfilters 30. Wenn der lichtempfindliche Schalter 44 eingeschaltet ist, entlädt sich der Kondensator C_LP 46 über den Widerstand R_LP 50 allein. Der Spannungswertwandler 10 umfaßt das Tiefpaßfilter 30, um den Hochfrequenzanteil der Kollektor-Emitter- Spannung U_CE zu eliminieren, so daß ein kurzer Impuls in der Eingangs­ spannung U_IN, wie eine Rauschspitze, nicht durch den Spannungswert­ wandler 10 hindurchgelangt.

Eine Ausgangsspannung U_OUT, die vom Tiefpaßfilter 30 abgegeben wird, wird einem Schmitt-Trigger 52 zugeführt, um eine digitale Ausgangs­ spannung über Leitungen 54, 56 zu erzeugen. Eine Hysterese in dem Schmitt-Trigger 52 stellt sicher, daß ein Ausgangssignal mit hohem Logikwert erzeugt wird, wenn die Ausgangsspannung U_OUT unter einen niedrigen Wert abfällt, und daß der digitale Ausgangswert hoch bleibt, bis die Ausgangsspannung U_OUT wieder einen hohen Wert übersteigt.

Fig. 2 zeigt über einer gemeinsamen Zeitachse Spannungen in dem Spannungswertwandler 10 der Fig. 1. Eine Gleichspannung U_IN, Wellen­ form 101, wird über dem Kondensator 12 (Fig. 1) angelegt, um diesen aufzuladen. Das Aufladen und Entladen des Kondensators 12 zeigt die Spannung U_CAP, Wellenform 102. Der periodisch von dem Kondensator 12 entladene Strom erzeugt eine Spannung U_DIAC, Wellenform 103, über dem DIAC 24. Die Spannung U_DIAC, Wellenform 103, ist gleich der Spannung über dem Kondensator U_CPA, Wellenform 102, ausgenommen wenn die LED 16 (Fig. 1) einen Lichtimpuls erzeugt, zu welcher Zeit die Spannung U_DIAC, Wellenform 103, gleich der Durchlaßvorspannung des DIAC 24 (Fig. 1) ist. Die in dem Kondensator 12 ursprünglich gespeicherte Energie bewirkt, daß von der LED 16 Lichtimpulse erzeugt werden, die von dem lichtempfindlichen Schalter 44 festgestellt werden, der seinerseits eine Kollektor-Emitter-Spannung U_CE, Wellenform 104, erzeugt. Die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE, Wellenform 104, bleibt auf einem hohen Wert, ausgenommen wenn der lichtempfindliche Schal­ ter 44 eingeschaltet wird, zu welchem Zeitpunkt die Kollektor-Emitter- Spannung U_CE, Wellenform 104, auf einen Einschalt-Kollektor-Emitter- Spannungswert des lichtempfindlichen Schalters 44 abfallt. Diese Kollek­ tor-Emitter-Spannung U_CE, Wellenform 104, wird auf das Tiefpaßfilter (LPF) 30 gegeben, das Hochfrequenzsignale in U_CE, Wellenform 104, abweist, die normalerweise durch einzelne Rauschimpulse repräsentiert werden. Eine Ausgangsspannung U_OUT, Wellenform 105, wird von dem Tiefpaßfilter 30 erzeugt. Das Ausgangssignal U_OUT, Wellenform 105, hat einen konstanten Wert, wenn der Kondensator C_LP 46 geladen ist und der lichtempfindliche Schalter 44 aus ist; das Ausgangssignal U_OUT fällt dann längs einer ersten Schräge S₁ ab, wenn sich der Kondensator C_LP 46 über den Widerstand R_LP 50 entlädt, und steigt als nächstes etwas längs einer zweiten Schräge S₂ an, wenn sich der Kondensator C_LP 46 über den Widerstand R_C 48 und den Widerstand R_LP 50 auflädt, wenn der lichtempfindliche Schalter 44 aus ist. Durch wiederholtes Aufladen und Entladen gelangt die Ausgangsspannung U_OUT, Wellenform 105, erst unter einen hohen Wert und dann unter einen niedrigen Wert. Am Ende der Impulsfolge der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE, Wellenform 104, steigt die Ausgangsspannung U_OUT, Wellenform 105, wieder auf ihren Anfangswert, wenn sich der Kondensator C_LP 46 in Folge des Einschal­ tens des lichtempfindlichen Schalters 44 ohne nachfolgende Entladung auflädt. Die Ausgangsspannung U_OUT, Wellenform 105, wird vom dem Tiefpaßfilter 30 an den Schmitt-Trigger 52 geliefert, der die digitale Ausgangsspannung, Wellenform 106, über den Leitungen 54, 56 er­ zeugt. Der Schmitt-Trigger 52 erzeugt einen hohen Ausgangswert so lange, wie die Ausgangsspannung U_OUT, Wellenform 105, unter einen niedrigen Wert gelangt und noch nicht von diesem niedrigen Wert auf einen hohen Wert angestiegen ist. Betrachtet man wieder Fig. 2, sind Rauschspitzen, Wellenform 107, in der grafischen Darstellung der Ein­ gangsspannung U_IN, Wellenform 101, gezeigt. Die Kondensatorspannung U_CAP, Wellenform 102, umfaßt Rauschspitzen, Wellenform 108, auf­ grund des kondensatoraufladenden Effektes der Rauschspitzen, Wellen­ form 107.

Ohne den Widerstand R_P 22 würden die Rauschspitzen, Wellenform 107, den Kondensator 12 (Fig. 1) aufladen und daher würde sich die Konden­ satorspannung U_CAP mit jeder Rauschspitze bzw. jedem Rauschimpuls, Wellenform 107, erhöhen. Das heißt, ohne den Widerstand R_P 22 könnte sich die Spannung U_CAP über dem Kondensator 12 von aufeinander­ folgenden Rauschspitzen bzw. Rauschimpulsen, Wellenform 107, hoch­ addieren, um ein Einschalten der LED 16 zu bewirken. Die additive Wirkung aufeinanderfolgender Impulsspitzen ist in Wellenform 109 für die Kondensatorspannung U_CAP und für die DIAC-Spannung U_DIAC dargestellt. Aufgrund von R_P 26 erscheinen die Rauschspitzen, Wellen­ form 107, als Spannungen, Wellenform 110, die ohne irgendeine additive Wirkung auf den Ausgang des Spannungswertwandlers 10 an­ steigen und abfallen.

Diese kurzen Rauschspitzen, Wellenform 107, laden den Kondensator 12 auf und werden entladen. Die Spannung U_CAP, Wellenform 102, ist gleich der DIAC-Spannung U_DIAC, Wellenform 103, ausgenommen wenn die LED 16 einen Lichtimpuls erzeugt. Und die LED 16 wird niemals durch kurze Rauschspitzen, Wellenform 107, eingeschaltet, da die Rauschspitzen nicht genügend lang sind, um den Kondensator 12 aus­ reichend aufzuladen, um die Kippspannung des DIAC 34 zu erzeugen.

Wenn jedoch eine Rauschspitze, Wellenform 111, genügend lang ist, dann erscheint diese Rauschspitze, Wellenform 111, in der Kondensator­ spannung U_CAP, Wellenform 102, als kapazitive Rauschspannung, Wellenform 112, und erscheint daher über dem DIAC 24, Wellenform 113. Diese DIAC-Rauschspannung, Wellenform 113, bewirkt ein Ein­ schalten der LED 16, eine entsprechende Kollektor-Emitter-Rauschspan­ nung, Unterwellenform 114, über der Kollektor-Emitter-Strecke des lichtempfindlichen Schalters 44; und dann eine Ausgangsrauschspan­ nung, Wellenform 115, in der Ausgangsspannung U_OUT, Wellenform 105. In der digitalen Ausgangsspannung, Wellenform 106, wird jedoch keine Rauschspannung erzeugt. Aufgrund des Tiefpaßfilters 30 läßt die Kollektor-Emitter-Rauschspannung, Unterwellenform 114, die Ausgangs­ spannung U_OUT, Wellenform 105, unter den hohen Wert abfallen, nicht jedoch unter den niedrigen Wert, und daher erzeugt der Schmitt-Trigger 52 (Fig. 1) niemals Rauschen in der digitalen Ausgangsspannung, Wellenform 106.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Umwandeln eines Spannungswertes, gekennzeichnet durch:
eine Speichereinrichtung (12), die von einer Eingangsspannung (U_IN) aufgeladen wird, um periodisch ein Entladungssignal zu erzeugen;
eine lichtemittierende Einrichtung (16), die auf das Entladesig­ nal anspricht, um periodisch ein Lichtsignal zu erzeugen; und eine lichtempfindliche Schaltung (44), die auf das Lichtsignal mit der Erzeugung einer Ausgangsspannung anspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Widerstand (22), der parallel zu dem Speicherelement (12) geschaltet ist, um ein Tiefpaßfilter zu erzeugen, derart, daß eine Rauschspannung in der Eingangs­ spannung (U_IN), die das Speicherelement (12) auflädt, über den Widerstand (22) entladen werden kann.

3. Vorrichtung nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Schaltung einen lichtempfindlichen Schalter (44) zur Erzeugung einer Kollektor-Emitter-Spannung (U_CE) und ein auf die Kollektor-Emitter-Spannung (U_CE) an­ sprechendes Tiefpaßfilter aufweist, um die Ausgangsspannung (U_OUT) derart zu erzeugen, daß lediglich niederfrequente Anteile der Kollektor-Emitter-Spannung von dem Tiefpaßfilter (30) abgegeben werden.

4. Verfahren zum Umwandeln des Wertes einer Spannung, gekennzeichnet durch:
Speichern einer elektrischen Ladung in Abhängigkeit von einer Eingangsspannung;
Entladen der gespeicherten elektrischen Ladung zur Erzeugung eines Lichtsignals; und
Empfangen des Lichtsignals zur Erzeugung einer umgewandel­ ten Version der Eingangsspannung.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die umgewandelte Version der Eingangsspannung gefiltert wird, um hochfrequente Komponenten der Eingangsspannung zu entfernen.