DE4138065A1

DE4138065A1 - Einrichtung zum uebertragen von daten und energie ueber eine leitung

Info

Publication number: DE4138065A1
Application number: DE19914138065
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Hammer
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1991-11-19
Filing date: 1991-11-19
Publication date: 1993-05-27

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Übertragen von Daten und Energie über eine Leitung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der europäischen Patentanmeldung 03 86 659 ist bekannt, zum Übertragen des Versorgungsstroms von peripheren Teil nehmern in einer Zentrale eine Stromversorgungseinheit vorzu sehen und den Versorgungsstrom über dieselbe Leitung zu über tragen, die auch zur Datenübertragung verwendet wird. Die Verbindung der Teilnehmer mit der Zentrale wird durch eine Zweidraht-Busleitung hergestellt. Die peripheren Einheiten enthalten als Energiespeicher Kondensatoren, die immer dann aufgeladen werden, wenn das Signal auf der Leitung im "High"- Zustand ist, also auch während der normalen Datenübertragung. Da dieser Ladestrom vor allem bei einer Vielzahl von peri pheren Einheiten für die Energieversorgung nicht ausreicht, müssen die Kondensatoren zur schnellen Aufladung zusätzlich in den zwischen den Datentelegrammen liegenden Zeitabschnitten niederohmig an die Leitung angeschlossen werden. Dabei ist es von Nachteil, daß im Fall einer stark ausgelasteten Busleitung diese Zeitabschnitte verkürzt werden und unter Umständen nicht mehr zur Aufladung der Kondensatoren ausreichen. Zudem ist die Datenübertragung bei dieser Einrichtung störanfällig, da die Fernversorgung der peripheren Teilnehmer wie eine zusätzliche Last an den Signalleitungen wirkt und keine differentielle Oatenübertragung mit symmetrischen Signalen auf der Zweidraht- Busleitung zuläßt. Besondere Anforderungen werden bei dieser Einrichtung auch an das Codierungsverfahren gestellt, denn Daten, die zu einem Signalverlauf mit häufigem "Low"-Zustand führen, verhindern das Aufladen des Kondensators während der Datenübertragung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Übertragen von Daten und Energie über eine Leitung zu schaffen, die eine störsichere Datenübertragung bei aus reichender Versorgung der Teilnehmer mit Energie gewährleistet und gleichzeitig keinerlei Einschränkungen bezüglich der Be schaffenheit des Datensignals oder der Auslastung der Bus leitung erfordert.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Einrichtung der ein gangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An spruchs 1 genannten Merkmale auf. In den Ansprüchen 2 bis 9 sind vorteilhafte Ausführungsarten der Erfindung angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie den Betrieb mit symme trischen Signalen auf zwei Adern der Leitung, also eine dif ferentielle Datenübertragung mit hoher Störsicherheit, ermög licht. Versorgungsstromkreis und der Stromkreis zur Daten übertragung beeinflussen sich im idealen Fall nicht und können sehr gut voneinander getrennt werden. Dank dieser Entkopplung wirken sich Schwankungen des Laststromes oder der Versorgungs spannung nicht auf die Signalqualität der Datenübertragung aus. Die erfindungsgemäße Einrichtung läßt sich sehr gut kombinieren mit Teilnehmern, die eine als RS485-Schnittstelle ausgebildete Empfangs- und Sendeeinheit aufweisen, wie sie z. B. bei Netzwerken nach der DIN 19 245 verwendet werden. Wenn die Sende- und Empfangseinheiten der Teilnehmer galvanisch vom Schirmpotential getrennt sind, können in einem Netzwerk fern gespeiste und nicht ferngespeiste Teilnehmer ohne Schwierig keiten kombiniert werden.

Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Übertragungseinrichtung,

Fig. 2 eine Stromversorgungseinheit mit einer Spannungs quelle,

Fig. 3 eine Stromversorgungseinheit mit zwei Spannungs quellen,

Fig. 4 eine Stromversorgungseinheit mit einer geregelten Spannungsquelle und

Fig. 5 eine Stromversorgungseinheit mit zwei geregelten Stromquellen.

Die in Fig. 1 gezeigte Einrichtung nutzt zur Übertragung von Daten und Energie zwei Adern 1 und 2 einer Leitung sowie den aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit ohnehin notwendigen Schirm als dritte Ader 3. Eine Stromversorgungs einheit 4 sowie ein ferngespeister Teilnehmer 5 und ein lokal gespeister Teilnehmer 6 sind an die Leitung angeschlossen. Ein Speisestrom I_O wird in zwei gleichen Teilen I_O/2 in die beiden Adern 1 und 2 durch die Stromversorgungseinheit 4 eingespeist und über die Ader 3 vollständig zurückgeführt. Da in diesem Ausführungsbeispiel lediglich ein Teilnehmer 5 ferngespeist wird, entnimmt dieser Teilnehmer 5 einen Versorgungsstrom I_V, der dem Speisestrom I_O entspricht, zu gleichen Teilen I_V/2 den beiden Adern 1 und 2. Zwei Stromsenken 7 und 8 sorgen dafür, daß auch bei unterschiedlichen Signalpegeln auf den Adern 1 und 2 gleiche Teilströme entnommen werden. Weiterhin ist in dem ferngespeisten Teilnehmer 5 ein Gleichstromwandler 9 vor gesehen, der mit der aus der Leitung entnommenen Energie eine Versorgungsspannung für die übrige Elektronik des Teilnehmers auf den Leitungen 10 und 11 erzeugt. Der Teilnehmer 6 weist ein lokales Speisegerät 14 auf, das über die Leitungen 12 und 13 mit einer Hilfsenergie versorgt wird und daraus auf den Leitungen 15 und 16 die erforderliche Versorgungsspannung ableitet. Beide Teilnehmer 5 bzw. 6 enthalten jeweils eine Sende- und Empfangseinheit 17 bzw. 18 sowie eine Anwendungs elektronik 19 bzw. 20, die jeweils über Datenleitungen 21 bzw. 22 miteinander verbunden sind. Die Sende- und Empfangs einheiten 17 bzw. 18 werden sowohl erdfrei versorgt als auch erdfrei angesteuert. Da sie lediglich mit den Adern 1 und 2 der Leitung galvanisch verbunden sind, besteht die einzige galvanische Verbindung zwischen den Adern 1 bzw. 2 und der als Schirm ausgeführten Ader 3 über den Fernversorgungskreis des Teilnehmers 5. In dieser Einrichtung können auch für RS485- Schnittstellen geeignete Sende- und Empfangseinheiten ein gesetzt werden. Eine andere Möglichkeit der galvanischen Trennung besteht darin, den Stromversorgungskreis des Teil nehmers 5 erdfrei zu betreiben. In diesem Fall muß die Ader 3 als Schirm zur Erhaltung der elektromagnetischen Verträglich keit kapazitiv geerdet werden. Obwohl im gezeigten Aus führungsbeispiel nur zwei Teilnehmer 5 bzw. 6 an die Leitung angeschlossen sind, ist ihre Anzahl bei der erfindungsgemäßen Einrichtung prinzipiell beliebig wählbar. Zur Unterdrückung störender Reflexionen an den Enden der Adern 1 und 2 bei der Übertragung schnell veränderlicher Signale können diese mit dem Wellenwiderstand Z der Leitung abgeschlossen werden.

Wird die Stromversorgungseinheit 4 gemäß Fig. 2 an einem der beiden Leitungsenden plaziert, so kann eine Spannungsquelle 25 mit zwei durch identische Widerstände 23 und 24 voneinander entkoppelten Ausgängen an den Adern 1, 2 und 3 angeschlossen werden. Vorteilhaft beträgt der Widerstandswert der beiden Widerstände 23 und 24 die Hälfte des Wellenwiderstandes Z der Leitung.

Gleichermaßen ist auch eine Realisierung der Stromversorgungs einheit 4 gemäß Fig. 3 durch zwei Spannungsquellen 26 und 27 mit gleicher Leerlaufspannung und gleichem Innenwiderstand 28 bzw. 29 möglich. Wiederum kann der Wert der Innenwiderstände 28 und 29 vorteilhaft die Hälfte des Wellenwiderstandes Z betragen.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer regelbaren Spannungsquelle 30, die so gesteuert werden kann, daß die Spannungen auf den Adern 1 und 2 unabhängig vom gelieferten Speisestrom bleiben. Ebenso ist natürlich auch eine Reali sierung mit zwei regelbaren Spannungsquellen entsprechend Fig. 3 möglich.

Bei einer Stromversorgungseinheit gemäß Fig. 5 sind zwei identische regelbare Stromquellen 31 und 32 vorhanden, welche jeweils den Strom I_O/2 in jede der beiden Adern 1 und 2 ein speisen. Da die Stromaufnahme der angeschlossenen Teilnehmer meistens festliegt, muß der Speisestrom an den Bedarf angepaßt werden. Hierzu wird I_O so geregelt, daß die Summe der Span nungsabfälle über den Adern 1, 2 und 3 und an den parallel geschalteten Teilnehmern einer Referenzspannung U_ref ent spricht. Zweckmäßigerweise erfolgt die Regelung so, daß sie durch Differenzspannungen zwischen den Adern 1 und 2 nicht beeinflußt wird. Damit können die Übertragung von Daten und von Energie ideal voneinander getrennt werden. Zur Regelung werden die Spannungen an den Adern 1 und 2 mit einem Summier glied 33 addiert, in einem Proportionalglied 34 mit dem Faktor 1/2 multipliziert und in einem Vergleicher 36 die Differenz zur Referenzspannung U_ref gebildet. Aus dieser Differenz kann mit einem Proportionalglied 37 eine Stellgröße 38 für die regelbaren Stromquellen 31 und 32 abgeleitet werden. Bei differentieller Datenübertragung und einem Signalhub auf den Adern 1 und 2 um die Spannung U_sig/2 ergeben sich somit für die Spannungen auf den Adern 1 und 2 folgende Gleichungen:

U₁ = U_ref + U_sig/2 und
U₂ = U_ref - U_sig/2.

Daraus erhält man das Signal der differentiellen Datenüber tragung zu:

U_sig = U₁ - U₂.

Schwankungen des Versorgungsstroms I_V oder der Referenzspan nung U_ref wirken sich durch diese Entkopplung nicht auf die Signalqualität aus.

Unter bestimmten Umständen, z. B. bei RS485-Schnittstellen, ist eine Offset-Differenzspannung über den Abschlußwider ständen zwischen den Adern 1 und 2 erwünscht. Diese Offset- Spannung kann durch entsprechende Unsymmetrie in der Strom versorgungseinheit 4 entweder mit unterschiedlichen Strömen bei Verwendung zweier Stromquellen, unterschiedlichen Span nungen bei Verwendung zweier Spannungsquellen oder mit unter schiedlichen Entkopplungs- bzw. Innenwiderständen erreicht werden.

Zur Vergrößerung des Innenwiderstandes sowohl der Strom versorgungseinheit 4 als auch der Teilnehmer können Indukti vitäten in Reihe mit den Strom- oder Spannungsquellen sowie den Stromsenken geschaltet werden.

Statt nur mit einer Stromversorgungseinheit kann auch mit mehreren parallel in eine Leitung eingespeist werden. Da bei mehreren gesteuerten quellen jedoch Dynamikprobleme zu er warten sind, erscheint eine Kombination aus zwei ungeregelten Quellen an den beiden Leitungsenden und einer geregelten Stromquelle, die beliebig plaziert sein kann, mit dem ge ringsten Aufwand realisierbar.

Die in Fig. 1 dargestellten Stromsenken 7 und 8 beim Teil nehmer 5 können abhängig vom Strombedarf des Teilnehmers 5 gesteuert werden. In diesem Fall ist darauf zu achten, daß die Änderungsgeschwindigkeit an die Eigenschaft der Strom versorgungseinheit 4 anzupassen ist, um Dynamikprobleme zu vermeiden, und daß die Regelung der beiden Stromsenken 7 und 8 synchron erfolgt.

Will man die bei niedrigen Frequenzen relativ hohe Impedanz der kapazitiven Erdung der Ader 3 als Schirm verringern, so kann dies durch eine Kompensationsspannung zwischen der Ader 3 und der Erde erreicht werden. Die Kompensationsspannung, wel che der Speisespannung bzw. der Referenzspannung U_ref ent gegengesetzt ist, sorgt dafür, daß die Adern 1 und 2 im Leer lauf, d. h. wenn kein Teilnehmer sendet, auf Erdpotential liegen.

Claims

1. Einrichtung zum Übertragen von Daten und Energie über eine Leitung, an die mehrere Teilnehmer (5, 6) mit jeweils einer Sende- und Empfangseinheit (17, 18) und an die eine Strom versorgungseinheit (4) zur Versorgung der Teilnehmer (5, 6) angeschlossen sind, dadurch gekennzeich net,

- daß die Leitung drei Adern (1, 2, 3) aufweist,
- daß eine Sendeeinheit Mittel aufweist zum Einspeisen von zwei symmetrischen, den zu übertragenden Daten entsprechen den Signalen in die erste (1) und die zweite Ader (2) der Leitung,
- daß in den Empfangseinheiten Mittel vorhanden sind zur Aus wertung der symmetrischen Signale und zur Ermittlung der übertragenen Daten,
- daß die Stromversorgungseinheit (4) einen Speisestrom (I_O) zu etwa gleichen Teilen (I_O/2) in die erste (1) und die zweite Ader (2) der Leitung einspeist und
- daß die Teilnehmer (5, 6) Mittel aufweisen, um der ersten (1) und der zweiten Ader (2) der Leitung zwei gleiche Ver sorgungsströme (I_V/2) zu entnehmen, die gemeinsam in der dritten Ader (3) zurückgeführt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet,

- daß der Speisestrom (I_O), den die Stromversorgungseinheit (4) zu etwa gleichen Teilen (I_O/2) in die erste (1) und die zweite Ader (2) der Leitung einspeist, so einstellbar ist, daß das arithmetische Mittel der Spannung zwischen der ersten (1) und der dritten Ader (3) und der Spannung zwi schen der zweiten (2) und der dritten Ader (3) einer Re ferenzspannung (U_ref) entspricht.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet,

- daß zur Erzeugung des Speisestroms (I_O) in der Strom versorgungseinheit (4) jeweils eine regelbare Stromquelle (31, 32) an der ersten (1) und an der zweiten Ader (2) angeschlossen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet,

- daß zur Erzeugung des Speisestroms (I_O) in der Strom versorgungseinheit (4) eine Spannungsquelle (26, 27) über jeweils einen Widerstand (28, 29) an der ersten (1) und der zweiten Ader (2) angeschlossen ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß in der Stromversorgungseinheit (4) einem der beiden symmetrischen, den zu übertragenden Daten entsprechenden Signale ein konstantes Signal überlagert wird, so daß eine Unsymmetrie entsteht.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Mittel der Teilnehmer (5) zur Entnahme der Ver sorgungsströme (I_V/2) jeweils zwei regelbare Stromsenken sind, die in Abhängigkeit vom Strombedarf des Teilnehmers (5) gesteuert werden.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Sende- und Empfangseinheiten (17, 18) in den Teil nehmern (5, 6) erdfrei betrieben werden.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Stromversorgungseinheit (4) erdfrei betrieben wird und die dritte Ader (3) der Leitung über einen Koppel kondensator mit Erde verbunden ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet,

- daß dem Koppelkondensator eine Spannungsquelle zur Er zeugung einer Kompensationsspannung parallelgeschaltet ist, welche so bemessen ist, daß die erste (1) und die zweite Ader (2) annähernd auf Erdpotential liegen.