EP1692762A1 - Electronic decoupling inductor for applications in actuator sensor interface networks - Google Patents

Electronic decoupling inductor for applications in actuator sensor interface networks

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Publication number
EP1692762A1
EP1692762A1 EP04802872A EP04802872A EP1692762A1 EP 1692762 A1 EP1692762 A1 EP 1692762A1 EP 04802872 A EP04802872 A EP 04802872A EP 04802872 A EP04802872 A EP 04802872A EP 1692762 A1 EP1692762 A1 EP 1692762A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
interface
electronic decoupling
decoupling inductance
electronic
transistor
Prior art date
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Ceased
Application number
EP04802872A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Georgi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IDT Europe GmbH
Original Assignee
Zentrum Mikroelektronik Dresden GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Zentrum Mikroelektronik Dresden GmbH filed Critical Zentrum Mikroelektronik Dresden GmbH
Publication of EP1692762A1 publication Critical patent/EP1692762A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00—Networks using active elements
    • H03H11/02—Multiple-port networks
    • H03H11/40—Impedance converters
    • H03H11/42—Gyrators
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00—Networks using active elements
    • H03H11/46—One-port networks
    • H03H11/48—One-port networks simulating reactances
    • H03H11/50—One-port networks simulating reactances using gyrators

Definitions

  • the invention relates to an electronic decoupling inductance for applications in actuator sensor interface networks, such as slaves, masters, extenders, repeaters, monitors and all modules connected to the actuator sensor interface, hereinafter referred to as applications.
  • actuator sensor interface networks such as slaves, masters, extenders, repeaters, monitors and all modules connected to the actuator sensor interface, hereinafter referred to as applications.
  • the actuator sensor interface is a networking system for the lowest fieldbus level of automation technology with predominantly bit-oriented data exchange according to the master-slave principle. It is particularly suitable for simple and inexpensive "low end" installation of simple binary sensors and actuators as well as modules with multiple inputs / outputs and their operation and maintenance via a controller. Sensors are typically simple command transmitters, pressure switches, selector switches, proximity switches, Level sensors, light barriers or incremental angle encoders. As simple actuators, preferably indicator lights, acoustic signal transmitters, pneumatic valves, hydraulic valves and small electrical drives are considered.
  • An AS-Interface slave IC is either built directly into a sensor or actuator, or he is built into a module to which conventional sensors and actuators can be connected.
  • the AS-Interface e master forms the interface between the transmission system and a controller on a higher-level system
  • Control level for example a programmable logic controller (PLC) or a personal computer (PC) or a higher-level network structure and organizes data traffic on the AS-Interface bus. It can be part of the control. The slaves then exchange data directly with the controller.
  • PLC programmable logic controller
  • PC personal computer
  • AS-Interface A conventional wiring solution can be completely replaced by the AS-Interface system, which saves wiring effort and, with intelligent AS-Interface sensors and AS-Interface actuators, new functions such as parameterization and diagnostics can also be implemented without the wiring effort increase. Analog devices can also be connected using special profiles. Because of these properties, the AS-Interface has developed into the leading networking system in the lowest field level of automation technology in recent years. Since 1999 AS-Interface has been an international industry standard IEC 62026 and a European standard EN 50295.
  • the bus cable In addition to the transmission of data, the bus cable, typically an unshielded two-wire flat cable, has the task of supplying the participants with electrical energy from a power supply unit that usually provides 30V DC voltage with up to 8A.
  • the data signals are modulated onto the DC voltage with an amplitude of maximum +/- 4V using a special method for serial transmission, alternating pulse modulation (APM), in the form of positive and negative sin 2 pulses and are transmitted in the form of data telegrams.
  • APM alternating pulse modulation
  • data and energy must be decoupled from one another in an AS-Interface.
  • AS-Interface data decoupling networks are used, which are usually housed in the same housing as the applications connected to the AS-Interface network.
  • Two inductors and two resistors connected in parallel which are usually housed in the housing of the power supply, are used to generate the voltage pulses.
  • the inductors in the power supply convert the current pulses generated by the AS-Interface transmitters into voltage pulses and at the same time prevent the AS-Interface cable from being short-circuited by the power supply for data transmission.
  • an AS-Interface coupling module for connecting sensors and actuators without their own slave IC to the AS-Interface network or in other applications, data signals and operating voltage must be decoupled from each other. In addition, care must be taken to ensure that sudden changes in current on the application side, due to the switching of actuators, do not lead to increased voltage pulses on the AS-Interface and influence the network in an undefined manner. This decoupling is realized by an inductor. Two versions are known for this:
  • the former variant is implemented, for example, in the applicant's IC A 2 SI.
  • the electronic decoupling inductance integrated in the IC consists of a highly complex circuit using several operational amplifiers, each of which contains several transistors. It therefore has a space requirement that should not be underestimated, which influences the price of the IC and can provide a maximum of 30mA. Due to the silicon internal structure, each of the transistors has reference points to the substrate and thus to the ground, which in use can cause asymmetries of the module on the AS-I-BUS, which have negative effects on the BURST behavior.
  • the applicant realizes the latter variant, inter alia, when externally wiring its IC ASI-SW.
  • the object of the invention is to provide a wound decoupling inductance in an AS-Interface application by an inexpensive and space-saving solution for a decoupling inductance which is electronically simulated from a few electronic standard components while observing the parameters specified by the AS-International Association in the AS-Interface specification replace. Every manufacturer should always have their AS-Interface applications checked and certified for conformity to the AS-Interface specification. The impedance of an AS-Interface in a given
  • Frequency range from 50 kHz to 300 kHz is an important variable, which is largely determined by the decoupling inductance. Other goals are to provide the application with currents above 30mA and to avoid asymmetries of the module on the AS-I-BUS.
  • the electronic decoupling inductance is independent of the AS-Interface IC, this remains inexpensive to manufacture. In this case, the power loss arising in the decoupling inductance does not have to be dissipated via the IC housing either, which allows the use of inexpensive housing types.
  • the electronic decoupling inductance can in turn be produced more cost-effectively than one wound decoupling inductance. It also takes up less installation space and can be placed more flexibly in an AS-Interface application or an AS-Interface coupling module. It can be made discrete, hybrid or fully integrated, but it is always a separate module from the AS-Interface IC.
  • a gyrator is a particularly advantageous circuit unit for impedance conversion. It can be used to simulate a filter coil (wound inductance) using simple electronic means by converting a capacitive terminating resistor into a synthetic inductive input resistor. For this purpose, it comprises at least one active electronic component, such as a transistor or operational amplifier, a capacitor and wiring resistors. Gyrators can be manufactured both discretely and hybrid or in the form of an integrated circuit more cheaply, smaller and less mechanically sensitive than wound inductors. A particularly simple two-pole gyrator circuit is in P. Strict: Gyrator acts as electronic choke; Electronics World + Wireless World magazine September 1993 page 754.
  • Fig 1 maps the AS-Interface level in a network
  • Fig. 2 shows schematically an AS-Interface slave IC with circuitry.
  • the master 1 shows the integration of the AS-Interface in a higher-level network.
  • the master 1 can be part of a control (not shown in detail) on the control level and can be supplied, for example, via the Interbus 2.
  • the slaves 3.1, 3.2 ... 3.n on the AS-Interface level then exchange data directly with the controller.
  • On Power supply 4 feeds the network from the AC network with 30V DC. Two inductors and two resistors connected in parallel are used to generate the voltage pulses.
  • the slave 3.n contains, for example, a signal lamp as an actuator and / or a key switch as a sensor. Both are connected to the + connection of the AS-Interface bus via a decoupling inductance 5 of 18mH, for example.
  • the decoupling inductor 5 decouples the data stream from the energy and prevents the transmission of switch-on voltage peaks to the AS-Interface bus when an actuator is activated.
  • a maximum of 31 (62) slaves can be connected to one master.
  • FIG. 2 the circuit board of an AS-Interface slave is shown by way of example, only the components that are most important for understanding the invention are shown in terms of circuitry.
  • a highly integrated circuit AS-Interface slave IC "AS-I IC" is placed on a circuit board.
  • It contains a logic 6 for the management of all incoming and outgoing data, an address memory (not shown), a power supply 7 for the logic 6, and one Oscillator circuit 8, to whose input ports 0SC1, OSC2 a quartz crystal is connected as a frequency-determining element, a data receiver 9, a data transmitter 10, two output ports D00, D01 for actuator signals, for example for an LED illuminated pushbutton, two input ports D12, D13 for sensor signals, for example for Monitoring of the switching status of the LED illuminated pushbutton, an output port LED for displaying communication states, an input port FID for the detection of peripheral faults, two ports Test 1, Test 2 for test purposes as well as an input circuit that limits the voltage via a Z-diode to suppress high-voltage interference pulses via the ports ASIP (for line AS-I +) and ASIN (for line AS-I -) from the AS-I bus below A polarity reversal protection diode is supplied.
  • the port CAP is used for a capacitive connection of the AS-I IC, not shown in detail. Furthermore, communication with the master 1 takes place via the AS-I bus.
  • the circuit board is advantageously built directly into a conventional LED illuminated pushbutton, which is why it should be as small as possible.
  • the decoupling inductance 5 of the input power supply for decoupling the data signals from the operating voltage and decoupling sudden changes in current on the actuator / sensor side of the AS-I bus should therefore also have the smallest possible spatial dimensions with regard to its base area and height and also be inexpensive to manufacture.
  • the decoupling inductance 5 is drawn out again as a wound coil according to the prior art in FIG. 2a).
  • the wound coil from FIG. 2a is replaced according to the invention by an impedance converter “gyrator” 11, which electronically simulates the inductance of the wound coil.
  • an impedance converter “gyrator” which electronically simulates the inductance of the wound coil.
  • a particularly simple and inexpensive electronic impedance converter “gyrator” has been used e.g. by P. Strict in
  • the two-pole gyrator circuit behaves like a decoupling inductance, in that the base voltage at the current-controlling transistor also changes only slowly according to the characteristic curve of the emitter-base capacitor, which charges only slowly when current flows, and consequently the current flow from terminal P1 to terminal P2 also changes of the "gyrator" 11 can only change slowly over the collector-emitter path of the transistor.
  • a voltage divider formed from a collector-base resistor and a base-emitter resistor, the operating point of the transistor is determined.
  • the “gyrator” 11 blocks the data signals and in this way decouples them from the operating voltage, on which the data signals on the AS-I bus with a center frequency of 167 kHz are superimposed in a relatively narrow band by the RC constant of the base-emitter resistor and the capacitor for the data signals represents a very large resistance.
  • the electronic decoupling inductance "Gyrator” 11 since it is built up separately from the miniaturized AS-Interface slave IC, can be designed for higher currents than 30mA. This has the advantage that slaves can also be operated without an additional supply cable or wound decoupling inductance whose current consumption is above 30mA, for example valves or switches with a current consumption of 50mA or more. This is particularly the case when the electronic decoupling inductance "gyro" 11 is constructed discretely or hybrid. In addition, such an electronic decoupling inductance “gyrator” 11 can also be used in coupling modules which supply several sensors and actuators without their own slave IC. An example of a cost comparison should make clear the cost advantages of a discrete electronic decoupling inductance compared to a wound coil:
  • wound coil electronic decoupling inductance (gyrator) component costs approx. 0.50 to 0.60 € approx. 0.05 to 0.08 € assembly costs approx. 0.07 € approx. 0.15 €
  • the overall height of a discrete electronic decoupling inductance remains approximately 1.5 mm below the overall height of a wound coil of approximately 5 to 7 mm.
  • an electronic decoupling inductance in the case of a discrete electronic decoupling inductance, the individual components can be arranged on a printed circuit board much more flexibly than is the case with a wound coil.
  • an electronic decoupling inductance is characterized by a higher reliability in terms of mechanical vibrations compared to a wound coil when used in harsh environmental conditions.
  • the invention is not only used in a slave, but advantageously also in other applications, such as a master, an extender, a repeater, a monitor and others.

Landscapes

  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Abstract

Disclosed is an electronic decoupling inductor for applications in actuator sensor interface networks. Said electronic decoupling inductor represents a subassembly that is independent from the actuator sensor interface IC (AS-I IC), is designed as a bipolar gyrator circuit without reference to ground, and comprises a base-controlled transistor, a capacitor with a charging resistor for influencing the current rise through the transistor when current flows, a voltage divider for adjusting the operating point of the transistor, and an appropriate RC constant of the base-emitter resistor and capacitor in order to block the high-frequency data signals as well as propagation of current changes on the AS interface bus (AS-I bus). The inventive electronic decoupling inductor directly replaces a wound inductor.

Description

Beschreibungdescription
Bezeichnung der ErfindungName of the invention
Elektronische Entkoppelinduktivitat für Anwendungen in Aktua- tor-Sensor-Interface-NetzwerkenElectronic decoupling inductance for applications in actuator sensor interface networks
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung betrifft eine elektronische Entkoppelinduktivitat für Anwendungen in Aktuator-Sensor-Interface Netzwerken, wie Slaves, Master, Extender, Repeater, Monitore sowie alle am Aktuator-Sensor-Interface angeschlossenen Module, im weiteren als Anwendungen bezeichnet.The invention relates to an electronic decoupling inductance for applications in actuator sensor interface networks, such as slaves, masters, extenders, repeaters, monitors and all modules connected to the actuator sensor interface, hereinafter referred to as applications.
Das Aktuator-Sensor-Interface (AS-Interface) ist ein Vernet- zungssystem für die unterste Feldbusebene der Automatisierungstechnik mit überwiegend bitorientiertem Datenaustausch nach dem Master-Slave-Prinzip. Es eignet sich insbesondere für eine einfache und kostengünstige „Low End"-Installation von einfachen binären Sensoren und Aktoren sowie Modulen mit mehreren Ein-/Ausgängen und deren Betrieb und Wartung über eine Steuerung. Sensoren sind typischerweise einfache Befehlsgeber, Druckschalter, Wahlschalter, Näherungsschalter, Füllstandsmelder, Lichtschranken oder inkrementale Winkelko- dierer. Als einfache Aktoren kommen vorzugsweise Meldeleuch- ten, akustische Signalgeber, Pneumatikventile, Hydraulikventile und kleine elektrische Antriebe in Betracht. Ein AS- Interface Slave-IC ist entweder direkt in einen Sensor oder Aktuator eingebaut, oder er ist in ein Modul eingebaut, an das konventionelle Sensoren und Aktuatoren angeschlossen wer- den können. Jeweils beim Einbau eines IC's in einen Slave wird die Konfiguration der Ports als Eingang/Ausgang-Konfiguration festgelegt. Daher kann der gleiche AS-Interface Slave IC sowohl Sensoren als auch Aktuatoren ansteuern. Der AS-In- terface Master bildet die Schnittstelle zwischen dem Übertra- gungssystem und einer Steuerung auf einer höhergeordnetenThe actuator sensor interface (AS-Interface) is a networking system for the lowest fieldbus level of automation technology with predominantly bit-oriented data exchange according to the master-slave principle. It is particularly suitable for simple and inexpensive "low end" installation of simple binary sensors and actuators as well as modules with multiple inputs / outputs and their operation and maintenance via a controller. Sensors are typically simple command transmitters, pressure switches, selector switches, proximity switches, Level sensors, light barriers or incremental angle encoders. As simple actuators, preferably indicator lights, acoustic signal transmitters, pneumatic valves, hydraulic valves and small electrical drives are considered. An AS-Interface slave IC is either built directly into a sensor or actuator, or he is built into a module to which conventional sensors and actuators can be connected. Each time an IC is installed in a slave, the configuration of the ports is defined as an input / output configuration. Therefore, the same AS-Interface slave IC can both sensors as well as actuators. The AS-Interface e master forms the interface between the transmission system and a controller on a higher-level system
Steuerungsebene, beispielsweise einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder einem Personalcomputer (PC) oder zu einer übergeordneten Netzstruktur und organisiert den Datenverkehr auf dem AS- Interface Bus. Er kann Bestandteil der Steuerung sein. Die Slaves tauschen dann direkt mit der Steuerung Daten aus .Control level, for example a programmable logic controller (PLC) or a personal computer (PC) or a higher-level network structure and organizes data traffic on the AS-Interface bus. It can be part of the control. The slaves then exchange data directly with the controller.
Eine konventionelle Verdrahtungslösung kann komplett durch das AS-Interface System ersetzt werden, wobei Verdrahtungs- aufwand eingespart wird sowie mit intelligenten AS-Interface- Sensoren und AS-Interface-Aktuatoren auch neue Funktionen, wie Parametrierung und Diagnose zu realisieren sind, ohne den Verkabelungsaufwand zu erhöhen. Mit speziellen Profilen sind auch analoge Geräte anschließbar. Aufgrund dieser Eigenschaften hat sich das AS-Interface in den letzten Jahren zum führenden Vernetzungssystem in unterster Feldebene der Automati- sierungstechnik entwickelt. Seit 1999 ist AS-Interface als internationaler Industriestandard IEC 62026 und als Europanorm EN 50295 festgeschrieben.A conventional wiring solution can be completely replaced by the AS-Interface system, which saves wiring effort and, with intelligent AS-Interface sensors and AS-Interface actuators, new functions such as parameterization and diagnostics can also be implemented without the wiring effort increase. Analog devices can also be connected using special profiles. Because of these properties, the AS-Interface has developed into the leading networking system in the lowest field level of automation technology in recent years. Since 1999 AS-Interface has been an international industry standard IEC 62026 and a European standard EN 50295.
Neben der Übertragung von Daten hat das Buskabel, typischer- weise ein ungeschirmtes Zweileiter-Flachkabel, die Aufgabe, die Teilnehmer aus einem Netzgerät mit elektrischer Energie zu versorgen, das üblicherweise 30V Gleichspannung mit bis zu 8A zur Verfügung stellt. Die Datensignale sind der Gleichspannung mit einer Amplitude von maximal +/- 4V mit Hilfe eines speziellen Verfahrens zur seriellen Übertragung, der Alternierenden Puls Modulation (APM) , in Form von positiven und negativen sin2-Pulsen aufmoduliert und werden in Form von Datentelegrammen übertragen. Folglich müssen in einem AS- Interface Daten und Energie voneinander entkoppelt werden. Hierzu dienen Datenentkoppelungsnetzwerke, die zumeist in dem gleichen Gehäuse wie die an dem AS-Interface Netzwerk angeschlossenen Anwendungen untergebracht sind. Zur Generierung der Spannungsimpulse dienen zwei Induktivitäten und zwei dazu parallel geschaltete Widerstände, welche zumeist im Gehäuse der Energieversorgung untergebracht sind. Die Induktivitäten in der Stromversorgung wandeln die Stromimpulse, die von den AS-Interface Sendern erzeugt werden, in Spannungsimpulse um und verhindern gleichzeitig, dass die AS-Interface Leitung durch die Energieversorgung für die Datenübertragung kurzgeschlossen wird.In addition to the transmission of data, the bus cable, typically an unshielded two-wire flat cable, has the task of supplying the participants with electrical energy from a power supply unit that usually provides 30V DC voltage with up to 8A. The data signals are modulated onto the DC voltage with an amplitude of maximum +/- 4V using a special method for serial transmission, alternating pulse modulation (APM), in the form of positive and negative sin 2 pulses and are transmitted in the form of data telegrams. As a result, data and energy must be decoupled from one another in an AS-Interface. For this purpose, data decoupling networks are used, which are usually housed in the same housing as the applications connected to the AS-Interface network. Two inductors and two resistors connected in parallel, which are usually housed in the housing of the power supply, are used to generate the voltage pulses. The inductors in the power supply convert the current pulses generated by the AS-Interface transmitters into voltage pulses and at the same time prevent the AS-Interface cable from being short-circuited by the power supply for data transmission.
Stand der TechnikState of the art
In einer AS-Interface Anwendung, z.B. in einem Sensor oder Aktuator integrierten AS-Interface Slave, einem AS-Interface Koppelmodul zum Anschluss von Sensoren und Aktuatoren ohne eigenen Slave IC an das AS-Interface Netz oder in weiteren Anwendungen müssen Datensignale und Betriebsspannung voneinander entkoppelt werden. Zusätzlich muss dafür gesorgt werden, dass sprunghafte Stromänderungen auf der Anwendungssei- te, bedingt durch das Schalten von Aktuatoren, nicht zu erhöhten Spannungsimpulsen an dem AS-Interface führen und das Netzwerk Undefiniert beeinflussen. Diese Entkopplung wird durch eine Induktivität realisiert. Hierzu sind zwei Ausführungen bekannt :In an AS-Interface application, e.g. AS-Interface slave integrated in a sensor or actuator, an AS-Interface coupling module for connecting sensors and actuators without their own slave IC to the AS-Interface network or in other applications, data signals and operating voltage must be decoupled from each other. In addition, care must be taken to ensure that sudden changes in current on the application side, due to the switching of actuators, do not lead to increased voltage pulses on the AS-Interface and influence the network in an undefined manner. This decoupling is realized by an inductor. Two versions are known for this:
1. Entkopplung durch eine in einer AS-Interface IC Anwen- dungsschaltung integrierte elektronische Induktivität,1. decoupling by means of an electronic inductor integrated in an AS-Interface IC application circuit,
2. Entkopplung durch eine oder mehrere zu einer AS-Interface IC Anwendungsschaltung externe Induktivität in Form einer gewickelte Spule.2. Decoupling by one or more external inductors in the form of a wound coil to form an AS-Interface IC application circuit.
Erstere Variante ist beispielsweise bei dem IC A2SI der Anmelderin verwirklicht. Die im IC integrierte elektronische Entkoppelinduktivitat besteht aus einer hochkomplexen Schaltung unter Einsatz mehrerer Operationsverstärker, von denen jeder mehrere Transistoren beinhaltet, hat deshalb einen nicht zu unterschätzenden Flächenbedarf, welcher den Preis des IC's beeinflusst und maximal 30mA zur Verfügung stellen kann. Jeder der Transistoren hat durch die Silizium-interne Struktur Bezugspunkte zum Substrat und damit zur Masse, was im Einsatz Unsymmetrien des Moduls am AS-I-BUS hervorrufen kann, welche negative Auswirkungen auf das BURST-Verhalten haben. Letztere Variante realisiert die Anmelderin u.a. bei der externen Beschaltung ihres IC ASI-SW. Aber auch der Einsatz einer gewickelten Spule stellt gerade für iCs, welche für kostengünstige „Low End"-Anwendungen konzipiert sind, einen erheblichen Kostenfaktor dar. Des weiteren ist der im Verhältnis zur Gesamtschaltung große Bauraum einer gewickelten Spule bei kleinen, miniaturisierten AS-Interface Slaves, wie Taster oder Signalleuchten, nicht zu vernachlässigen.The former variant is implemented, for example, in the applicant's IC A 2 SI. The electronic decoupling inductance integrated in the IC consists of a highly complex circuit using several operational amplifiers, each of which contains several transistors. It therefore has a space requirement that should not be underestimated, which influences the price of the IC and can provide a maximum of 30mA. Due to the silicon internal structure, each of the transistors has reference points to the substrate and thus to the ground, which in use can cause asymmetries of the module on the AS-I-BUS, which have negative effects on the BURST behavior. The applicant realizes the latter variant, inter alia, when externally wiring its IC ASI-SW. But the use of a wound coil also represents a considerable cost factor, especially for iCs which are designed for cost-effective "low end" applications. Furthermore, the installation space of a wound coil in relation to the overall circuit is small in the case of small, miniaturized AS-Interface slaves , such as buttons or signal lights, not to be neglected.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gewickelte Entkoppelinduktivitat in einer AS-Interface Anwendung durch eine kostengünstige und platzsparende Lösung einer aus wenigen elektronischen Standardbauelementen elektronisch nachge- bildeten Entkoppelinduktivitat unter Einhaltung der durch die AS-International Association in der AS-Interface Spezifikation vorgegebenen Parameter zu ersetzen. Jeder Hersteller sollte immer seine AS-Interface Anwendungen auf Konformität zur AS-Interface Spezifikation prüfen und zertifizieren las- sen. Die Impedanz eines AS-Interface in einem vorgegebenenThe object of the invention is to provide a wound decoupling inductance in an AS-Interface application by an inexpensive and space-saving solution for a decoupling inductance which is electronically simulated from a few electronic standard components while observing the parameters specified by the AS-International Association in the AS-Interface specification replace. Every manufacturer should always have their AS-Interface applications checked and certified for conformity to the AS-Interface specification. The impedance of an AS-Interface in a given
Frequenzbereich von 50kHz bis 300kHz ist dabei eine wichtige Größe, welche in starkem Maße durch die Entkoppelinduktivitat bestimmt wird. Weitere Ziele sind , den Anwendungen Ströme auch über 30mA zur Verfügung zu stellen und Unsymmetrien des Moduls am AS-I-BUS zu vermeiden.Frequency range from 50 kHz to 300 kHz is an important variable, which is largely determined by the decoupling inductance. Other goals are to provide the application with currents above 30mA and to avoid asymmetries of the module on the AS-I-BUS.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen geben die Unteransprüche an.The object is achieved by the features specified in claim 1. Advantageous refinements indicate the subclaims.
Indem die elektronische Entkoppelinduktivitat unabhängig vom AS-Interface IC ist, bleibt dieser kostengünstig in der Fertigung. Die in der Entkopplungsinduktivität entstehende Verlustleistung muss in diesem Fall auch nicht über das IC Ge- häuse abgeführt werden, was den Einsatz kostengünstiger Gehäusearten erlaubt . Die elektronische Entkoppelinduktivitat kann wiederum kostengünstiger hergestellt werden als eine gewickelte Entkoppelinduktivitat. Außerdem nimmt sie weniger Bauraum ein und ist variabler in einer AS-Interface Anwendung oder einem AS-Interface Koppelmodul platzierbar. Sie kann diskret, hybrid oder vollintegriert ausgeführt werden, immer aber ist sie eine zum AS-Interface IC separate Baugruppe.Since the electronic decoupling inductance is independent of the AS-Interface IC, this remains inexpensive to manufacture. In this case, the power loss arising in the decoupling inductance does not have to be dissipated via the IC housing either, which allows the use of inexpensive housing types. The electronic decoupling inductance can in turn be produced more cost-effectively than one wound decoupling inductance. It also takes up less installation space and can be placed more flexibly in an AS-Interface application or an AS-Interface coupling module. It can be made discrete, hybrid or fully integrated, but it is always a separate module from the AS-Interface IC.
Ein Gyrator stellt dabei eine besonders vorteilhafte Schaltungseinheit zur Impedanzwandlung dar. Mit ihm lässt sich eine Filterspule (gewickelte Induktivität) mit einfachen elektronischen Mitteln simulieren, indem ein kapazitiver Abschlusswiderstand in einen synthetischen induktiven Eingangswiderstand umgewandelt wird. Hierzu umfasst er mindestens ein aktives elektronisches Bauelement, wie Transistor oder Operationsverstärker, einen Kondensator und Beschal- tungswiderstande. Gyratoren lassen sich sowohl diskret als auch hybrid oder in Form eines integrierten Schaltkreises kostengünstiger, kleiner und mechanisch unempfindlicher herstellen als gewickelte Induktivitäten. Eine besonders einfach aufgebaute Zweipol-Gyratorschaltung ist in P. Strict: Gyrator acts as electronic choke; Electronics World + Wireless World magazine September 1993 Seite 754 beschrieben.A gyrator is a particularly advantageous circuit unit for impedance conversion. It can be used to simulate a filter coil (wound inductance) using simple electronic means by converting a capacitive terminating resistor into a synthetic inductive input resistor. For this purpose, it comprises at least one active electronic component, such as a transistor or operational amplifier, a capacitor and wiring resistors. Gyrators can be manufactured both discretely and hybrid or in the form of an integrated circuit more cheaply, smaller and less mechanically sensitive than wound inductors. A particularly simple two-pole gyrator circuit is in P. Strict: Gyrator acts as electronic choke; Electronics World + Wireless World magazine September 1993 page 754.
Bevorzugter Weg zur Ausführung der ErfindungPreferred way of carrying out the invention
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels und der zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben werden, wobeiThe invention will be described in more detail using an exemplary embodiment and the associated drawings, wherein
Fig 1: die AS-Interface Ebene in einem Netzwerk abbildet undFig 1: maps the AS-Interface level in a network and
Fig. 2: schematisiert ein AS-Interface Slave IC mit Beschal- tung zeigt.Fig. 2: shows schematically an AS-Interface slave IC with circuitry.
In Fig. 1 ist eine Einbindung des AS-Interface in ein übergeordnetes Netzwerk dargestellt. Der Master 1 kann Bestandteil einer nicht näher dargestellten Steuerung auf der Steuerungs- ebene sein und beispielsweise über den Interbus 2 versorgt werden. Die Slaves 3.1, 3.2 ... 3.n auf der AS-Interface Ebene tauschen dann direkt mit der Steuerung Daten aus . Ein Netzteil 4 speist das Netzwerk vom Wechselstromnetz AC mit 30V Gleichstrom. Zwei Induktivitäten und zwei dazu parallel geschaltete Widerstände dienen zur Generierung der Spannungsimpulse .1 shows the integration of the AS-Interface in a higher-level network. The master 1 can be part of a control (not shown in detail) on the control level and can be supplied, for example, via the Interbus 2. The slaves 3.1, 3.2 ... 3.n on the AS-Interface level then exchange data directly with the controller. On Power supply 4 feeds the network from the AC network with 30V DC. Two inductors and two resistors connected in parallel are used to generate the voltage pulses.
Der Slave 3.n enthält beispielhaft eine Meldeleuchte als Aktuator und/oder einen Tastschalter als Sensor. Beide sind über eine Entkoppelinduktivitat 5 von beispielsweise 18mH mit dem + Anschluss des AS-Interface Bus verbunden. Die Entkop- pelinduktivität 5 entkoppelt den Datenstrom von der Energie und verhindert die Übertragung von Einschaltspannungsspitzen auf den AS-Interface Bus beim Aktivieren eines Aktuators . Nach heutigem Stande können maximal 31 (62) Slaves an einen Master angeschlossen werden.The slave 3.n contains, for example, a signal lamp as an actuator and / or a key switch as a sensor. Both are connected to the + connection of the AS-Interface bus via a decoupling inductance 5 of 18mH, for example. The decoupling inductor 5 decouples the data stream from the energy and prevents the transmission of switch-on voltage peaks to the AS-Interface bus when an actuator is activated. As of today, a maximum of 31 (62) slaves can be connected to one master.
In Fig. 2 ist beispielhaft die Schaltplatine eines AS-Interface Slaves näher herausgezeichnet, wobei lediglich die für das Verständnis der Erfindung wichtigsten Bestandteile schaltungstechnisch dargestellt sind. Auf einer Leiterplatte ist ein hochintegrierter Schaltkreis AS-Interface Slave-IC „AS-I IC" platziert. Er enthält eine Logik 6 für die Verwaltung aller ein- und ausgehenden Daten, einen nicht dargestellten Adressenspeicher, eine Stromversorgung 7 für die Logik 6, eine Oszillatorschaltung 8, an deren Eingangsports 0SC1, OSC2 ein Schwingquarz als frequenzbestimmendes Element angeschlossen wird, einen Datenempfänger 9, einen Datensender 10, zwei Ausgangsports D00, D01 für Aktuatorsignale, z.B. für einen LED-Leuchttaster, zwei Eingangsports D12 , D13 für Sensorsignale, z.B. zur Überwachung des Schaltzustandes des LED- Leuchttasters, einen Ausgangsport LED zur Anzeige von Kommunikationszuständen, einen Eingangsport FID zur Erkennung von Peripheriefehlern, zwei Ports Test 1, Test 2 für Testzwecke sowie eine über eine Z-Diode spannungsbegrenzende Eingangsschaltung zur Unterdrückung von Hochspannungsstörimpulsen. Die Eingangsschaltung wird über die Ports ASIP (für Leitung AS-I +) und ASIN (für Leitung AS-I -) vom AS-I-Bus unter Vorschaltung einer Verpolschutzdiode versorgt. Der Anschluss Port CAP dient einer nicht näher gezeigten kapazitiven Be- schaltung des AS-I IC. Ferner erfolgt über den AS-I Bus die Kommunikation mit dem Master 1. Die Leiterplatte ist vorteil- haft direkt in einen konventionellen LED-Leuchttaster eingebaut, weshalb sie möglichst klein sein sollte. Die Entkoppelinduktivitat 5 der Eingangsstromversorgung zur Entkopplung der Datensignale von der Betriebsspannung und Entkopplung sprunghafter Stromänderungen auf der Aktuator-/ Sensorseite vom AS-I Bus sollte deshalb ebenfalls möglichst kleine räumliche Abmessungen bezüglich seiner Grundfläche und Höhe besitzen und außerdem möglichst preiswert herzustellen sein.In Fig. 2, the circuit board of an AS-Interface slave is shown by way of example, only the components that are most important for understanding the invention are shown in terms of circuitry. A highly integrated circuit AS-Interface slave IC "AS-I IC" is placed on a circuit board. It contains a logic 6 for the management of all incoming and outgoing data, an address memory (not shown), a power supply 7 for the logic 6, and one Oscillator circuit 8, to whose input ports 0SC1, OSC2 a quartz crystal is connected as a frequency-determining element, a data receiver 9, a data transmitter 10, two output ports D00, D01 for actuator signals, for example for an LED illuminated pushbutton, two input ports D12, D13 for sensor signals, for example for Monitoring of the switching status of the LED illuminated pushbutton, an output port LED for displaying communication states, an input port FID for the detection of peripheral faults, two ports Test 1, Test 2 for test purposes as well as an input circuit that limits the voltage via a Z-diode to suppress high-voltage interference pulses via the ports ASIP (for line AS-I +) and ASIN (for line AS-I -) from the AS-I bus below A polarity reversal protection diode is supplied. The port CAP is used for a capacitive connection of the AS-I IC, not shown in detail. Furthermore, communication with the master 1 takes place via the AS-I bus. The circuit board is advantageously built directly into a conventional LED illuminated pushbutton, which is why it should be as small as possible. The decoupling inductance 5 of the input power supply for decoupling the data signals from the operating voltage and decoupling sudden changes in current on the actuator / sensor side of the AS-I bus should therefore also have the smallest possible spatial dimensions with regard to its base area and height and also be inexpensive to manufacture.
In Fig. 2a) ist die Entkoppelinduktivitat 5 als gewickelte Spule nach dem Stande der Technik nochmals herausgezeichnet. Gemäß Fig. 2b) ist die gewickelte Spule aus Fig. 2a erfindungsgemäß durch einen Impedanzwandler „Gyrator" 11 ersetzt, der die Induktivität der gewickelten Spule elektronisch nachbildet. Ein besonders einfacher und kostengünstiger elektro- nischer Impedanzwandler „Gyrator" wurde z.B. von P. Strict inThe decoupling inductance 5 is drawn out again as a wound coil according to the prior art in FIG. 2a). According to FIG. 2b), the wound coil from FIG. 2a is replaced according to the invention by an impedance converter “gyrator” 11, which electronically simulates the inductance of the wound coil. A particularly simple and inexpensive electronic impedance converter “gyrator” has been used e.g. by P. Strict in
Electronics World + Wireless World Magazin, September 1993, Seite 754 vorgeschlagen und in Fig. 2b näher dargestellt. Ein solcher kann unmittelbar die gewickelte Spule ersetzen. Die Zweipol-Gyratorschaltung verhält sich wie eine Entkoppelin- duktivitat, indem sich die Basisspannung am stromsteuernden Transistors entsprechend der Kennlinie des sich bei Stromfluss nur langsam aufladenden Emitter-Basis-Kondensators ebenfalls nur langsam verändert und demzufolge sich auch der Stromfluss vom Anschluss Pl zum Anschluss P2 des „Gyrators" 11 über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors nur langsam ändern kann. Mit Hilfe eines Spannungsteilers, gebildet aus einem Kollektor-Basis-Widerstand und einem Basis- Emitterwiderstand, wird der Arbeitspunkt des Transistors festgelegt. Über einen Reihenwiderstand zur Kollektor-Emit- terstrecke des Transistors lädt sich der Kondensator auf. Er entspricht etwa dem ohmschen Anteil einer gewickelten Entkoppelinduktivitat . Beim Schalten eines Aktuators wird folglich der Strom nur langsam ansteigen, wodurch Spannungsspitzen genau wie durch eine Reiheninduktivität verhindert werden. Ferner blockiert der „Gyrator" 11 die Datensignale und entkoppelt sie auf diese Weise von der Betriebsspannung, der die Datensignale auf dem AS-I Bus mit einer Mittenfrequenz von 167 kHz relativ schmalbandig überlagert sind, indem die RC-Konstante des Basis-Emitter-Widerstandes und des Kondensators für die Datensignale einen sehr großen Widerstand darstellt. Das wird erreicht, indem sich durch eine Stromänderung am Basis-Emitterwiderstand die Spannung über diesen und somit über den Kondensator ändert. Bedingt durch die Kondensator-Kennlinie erfolgt dies nur langsam, das heißt, die Ansteuerung des Transistors an seiner Basis läuft dem angeforderten Strom nach. Auf der Stromversorgungsleitung für einen Aktuator oder Sensor 12 werden also keine Datensignale übertragen, die eventuell zu Betriebsstörungen führen könnten. Zwei Beschal- tungskondensatoren von lOOnF und lOμF glätten zusätzlich den Betriebsstrom auf der Stromversorgungsleitung 12.Electronics World + Wireless World Magazine, September 1993, page 754 proposed and shown in Fig. 2b. Such can directly replace the wound coil. The two-pole gyrator circuit behaves like a decoupling inductance, in that the base voltage at the current-controlling transistor also changes only slowly according to the characteristic curve of the emitter-base capacitor, which charges only slowly when current flows, and consequently the current flow from terminal P1 to terminal P2 also changes of the "gyrator" 11 can only change slowly over the collector-emitter path of the transistor. With the aid of a voltage divider, formed from a collector-base resistor and a base-emitter resistor, the operating point of the transistor is determined. Via a series resistor to the collector emit - The distance of the transistor charges the capacitor, which corresponds approximately to the ohmic component of a wound decoupling inductance. As a result, when an actuator is switched, the current will only increase slowly, which prevents voltage peaks as if by a series inductance. Furthermore, the “gyrator” 11 blocks the data signals and in this way decouples them from the operating voltage, on which the data signals on the AS-I bus with a center frequency of 167 kHz are superimposed in a relatively narrow band by the RC constant of the base-emitter resistor and the capacitor for the data signals represents a very large resistance. This is achieved by a change in the current at the base-emitter resistor changing the voltage across it and thus across the capacitor. Due to the capacitor characteristic, this takes place only slowly, the control of the transistor at its base runs after the requested current, so no data signals that could possibly lead to malfunctions are transmitted on the power supply line for an actuator or sensor 12. Two connection capacitors of 100nF and 10μF additionally smooth the operating current on the power supply line 12th
Die elektronische Entkoppelinduktivitat „Gyrator" 11 kann, da sie separat vom miniaturisierten AS-Interface Slave IC aufgebaut wird, für höhere Ströme als 30mA ausgelegt werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass auch Slaves ohne zusätzli- ches Versorgungskabel oder gewickelte Entkoppelinduktivitat betrieben werden können, deren Stromverbrauch über 30mA liegt, beispielsweise also Ventile oder Schalter mit einem Stromverbrauch von 50mA oder mehr. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die elektronische Entkoppelinduktivitat „Gyra- tor" 11 diskret oder hybrid aufgebaut wird. Außerdem kann eine solche elektronische Entkoppelinduktivitat „Gyrator" 11 auch in Koppelmodulen Anwendung finden, welche mehrere Sensoren und Aktuatoren ohne eigenen Slave IC versorgen. Ein beispielhafter Kostenvergleich soll die Kostenvorteile einer diskret aufgebauten elektronischen Entkoppelinduktivitat gegenüber einer gewickelten Spule deutlich machen:The electronic decoupling inductance "Gyrator" 11, since it is built up separately from the miniaturized AS-Interface slave IC, can be designed for higher currents than 30mA. This has the advantage that slaves can also be operated without an additional supply cable or wound decoupling inductance whose current consumption is above 30mA, for example valves or switches with a current consumption of 50mA or more. This is particularly the case when the electronic decoupling inductance "gyro" 11 is constructed discretely or hybrid. In addition, such an electronic decoupling inductance “gyrator” 11 can also be used in coupling modules which supply several sensors and actuators without their own slave IC. An example of a cost comparison should make clear the cost advantages of a discrete electronic decoupling inductance compared to a wound coil:
gewickelte Spule elektronische Entkoppelinduktivitat (Gyrator) Bauteilkosten ca. 0,50 bis 0,60 € ca. 0,05 bis 0,08 € Bestückungs- kosten ca. 0,07 € ca. 0,15 €wound coil electronic decoupling inductance (gyrator) component costs approx. 0.50 to 0.60 € approx. 0.05 to 0.08 € assembly costs approx. 0.07 € approx. 0.15 €
Gesamtkosten ca. 0,57 bis 0,67 € ca. 0,20 bis 0,23 €.Total costs approx. € 0.57 to € 0.67 approx. € 0.20 to € 0.23.
Des weiteren bleibt die Bauhöhe einer diskret aufgebauten elektronischen Entkoppelinduktivitat mit ca. 1,5mm weit unter dem der Bauhöhe einer gewickelten Spule mit ca. 5 bis 7mm.Furthermore, the overall height of a discrete electronic decoupling inductance remains approximately 1.5 mm below the overall height of a wound coil of approximately 5 to 7 mm.
Außerdem können bei einer diskret aufgebauten elektronischen Entkoppelinduktivitat die einzelnen Bauelemente auf einer Leiterplatte wesentlich flexibler angeordnet werden, als dies bei einer gewickelten Spule der Fall ist. Nicht zuletzt zeichnet sich eine elektronische Entkoppelinduktivitat durch eine höhere Zuverlässigkeit in Bezug auf mechanische Vibrationen gegenüber einer gewickelten Spule bei dem Einsatz in rauen Umgebungsbedingungen aus .In addition, in the case of a discrete electronic decoupling inductance, the individual components can be arranged on a printed circuit board much more flexibly than is the case with a wound coil. Last but not least, an electronic decoupling inductance is characterized by a higher reliability in terms of mechanical vibrations compared to a wound coil when used in harsh environmental conditions.
Zur Anwendung kommt die Erfindung nicht nur in einem Slave, sondern vorteilhaft auch in anderen Anwendungen, wie zum Beispiel einem Master, einem Extender, einem Repeater, einem Monitor und anderen. The invention is not only used in a slave, but advantageously also in other applications, such as a master, an extender, a repeater, a monitor and others.

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektronische Entkoppelinduktivitat für Anwendungen in Aktuator-Sensor-Interface Netzwerken, 5 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektronische Entkoppelinduktivitat eine zum Aktuator-Sensor-Interface IC („AS-I IC") eigenständige Baugruppe ist und als zweipolige Gyratorschaltung ohne Bezug zur Masse aufgebaut ist, mit einem basisgesteuerten Transistor, einem 0 Kondensator mit Ladewiderstand für die Beeinflussung des Stromanstiegs durch den Transistor bei Stromfluss, einem Spannungsteiler für die Arbeitspunkteinstellung des Transistors und einer geeigneten RC-Konstante des Basis- Emitterwiderstandes und Kondensators zum Blockieren der 5 hochfrequenten Datensignale sowie Fortpflanzung von Stromänderungen auf dem AS-Interface Bus („AS-I Bus") , die unmit-1. Electronic decoupling inductance for applications in actuator-sensor interface networks, 5 characterized in that the electronic decoupling inductance is an independent module for the actuator-sensor interface IC (“AS-I IC”) and is constructed as a two-pole gyrator circuit without reference to ground , with a base-controlled transistor, a 0 capacitor with charging resistor for influencing the current rise through the transistor when current flows, a voltage divider for the operating point setting of the transistor and a suitable RC constant of the base-emitter resistor and capacitor for blocking the 5 high-frequency data signals and propagation of Current changes on the AS-Interface bus ("AS-I bus") that immediately
I telbar eine gewickelte Induktivität ersetzt.I telbar replaced a wound inductor.
2. Elektronische Entkoppelinduktivitat nach Anspruch 1, 0 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektronische Entkoppelinduktivitat diskret aufgebaut ist.2. Electronic decoupling inductance according to claim 1, 0 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the electronic decoupling inductance is constructed discretely.
3. Elektronische Entkoppelinduktivitat nach Anspruch 1, 5 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektronische Entkoppelinduktivitat hybrid aufgebaut ist .3. Electronic decoupling inductance according to claim 1, 5 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the electronic decoupling inductance is hybrid.
4. Elektronische Entkoppelinduktivitat nach Anspruch 1, 0 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektronische Entkoppelinduktivitat als eigenständiger integrierter Schaltkreis (IC) aufgebaut ist.4. Electronic decoupling inductance according to claim 1, 0 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the electronic decoupling inductance is constructed as an independent integrated circuit (IC).
5. Elektronische Entkoppelinduktivitat nach einem der vorste- 5 henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Anwendung einen Slave, einen Master, einen Extender, einen Repeater, einen Monitor und andere am AS-Interface angeschlossene Anwendungen betrifft. 5. Electronic decoupling inductance according to one of the preceding claims 5, characterized in that that the application affects a slave, a master, an extender, a repeater, a monitor and other applications connected to the AS-Interface.
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