WO2012000708A1 - Schaltungsanordnung für einen digitaleingang - Google Patents

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WO2012000708A1
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Harald Karl
Rainer Viertler
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/30—Modifications for providing a predetermined threshold before switching

Definitions

  • Circuit arrangement for a digital input The invention relates to a circuit arrangement for a digital input of an electronic device.
  • Digital inputs in automation devices in industry or power engineering are operated with different nominal voltages and alternating and direct voltages, which are typically in the range between 24 V DC and 230 V AC. They are also often subject to high demands on their electromagnetic compatibility and their relevant immunity to interference.
  • US 4,275,307 A discloses an input circuit for a digital system having a rectifier, a dynamic current limiting circuit, a plurality of Zener diodes, and a light emitting element.
  • US Pat. Nos. 5,672,919 and DE 10 2007 025 243 B3 disclose digital input circuits which each contain a rectifier, a separating element for the galvanic isolation of the input circuit, a blocking element for the voltage-dependent blocking of the current flow and a self-conducting field-effect transistor for limiting the current.
  • Further input circuits with optocouplers for their galvanic isolation are known from US 5 539 352 A, JP 7-46111 A, JP 2-135819 A, US 4 197 471 A and GB 1 403 110 A. It is an object of the invention to provide an improved formwork ⁇ processing arrangement for a digital input of an electronic device, which is particularly suitable for a wide input voltage range.
  • the inventive circuit arrangement for a digital ⁇ input of an electronic device comprises at least one rectifier for rectifying a current flow through the circuit arrangement, a downstream rectifier self-conducting field-effect transistor is a downstream of the self-conducting field-effect transistor blocking member for blocking the current flow below a switching threshold of a one ⁇ output voltage, and the Blocking member downstream isolator for galvanic isolation of the digital input of we ⁇ least one coupled to him another component of the electronic device.
  • the most essential component of the circuit arrangement according to the invention is the self-conducting field effect transistor.
  • Such transistors can be obtained with very high blocking voltages and thus enable a regulation of the current flow through the circuit arrangement in a wide input voltage range, which can cover in particular the entire range between 24 V DC and 230 V AC. This advantageously enables the construction of a digital input for such a wide input voltage range, for otherwise various conventional digital inputs for each ⁇ parts of this
  • the other components of the circuit advantageously allow rectification of the current flow through the Circuitry for their protection against harmful input voltages wrong polarity and as polarity reversal in DC operation of the circuit, the realization of a switching threshold of the circuit as a function of the input signal strength, and the galvanic isolation of the digital input coupled with him further compo ⁇ len of the electronic device.
  • the rectifier is preferably a semiconductor diode or a bridge rectifier.
  • a bridge rectifier by its full-wave rectification of the electric current allows a faster response of the digital input to AC input voltages than the semiconductor diode, and is therefore preferably for appli ⁇ tions provided in which such a rapid response is advantageous.
  • the use of a semi-conductor diode ⁇ is preferred as the rectifier, since it is less expensive realized sierbar over the use of a bridge rectifier and reduces the total power loss of the digital input.
  • the bridge rectifier causes a current flow both at a positive and a negative input voltage and thus at an applied AC input voltage for both half-waves of the input voltage.
  • the self-conducting field-effect transistor is a depletion metal oxide semiconductor field effect transistor ⁇ .
  • a depletion metal oxide semiconductor field effect transistor ⁇ Preferably have a control terminal and a source terminal of the self-conducting metal oxide semiconductor Feldef ⁇ Anlagentransistors a current control resistance verbun ⁇ .
  • the current control resistor ensures when current flows for a voltage at the control terminal of the field effect transistor, which adjusts the current according to the characteristic of the Feldef ⁇ Stammtransistors.
  • the field effect transistor acts as a dynamic current source of the Wegungsanord ⁇ tion.
  • the self-conducting field effect transistor is a self-conducting junction field effect transistor.
  • the blocking member is preferably removable ⁇ det as a Zener diode.
  • the isolator is preferably designed as an optocoupler.
  • An embodiment of the circuit arrangement according to the invention provides at least one protective element for protection against input interference voltages. As a result, requirements for immunity to interference of the digital input can advantageously be met.
  • a protective element is preferably a suppressor diode or a varistor for protecting against input voltages exceeding a protection threshold.
  • the circuit arrangement and especially the field effect transistor contained in it can be protected against harmful overvoltages. This is particularly advantageous because field effect transistors can easily be destroyed by overvoltages.
  • the circuit arrangement can have at least one interference suppression capacitor as a protective element against input voltages whose frequency exceeds a protective frequency.
  • the circuit arrangement can be advantageously protected against harmful high-frequency voltages.
  • a further embodiment of the circuit arrangement provides for a first bypass capacitor electrically connected in parallel with the current control resistor .
  • This embodiment is particularly advantageous if the circuit arrangement is preceded by a relay.
  • the relay contacts may be oxidized, thereby affecting the reliability of the overall circuit consisting of the relay and the circuitry.
  • Through the first bypass capacitor of Stromsteue- is briefly approximately resistance at least partially bypassed, thereby setting a higher current flow, which advantageously allows for Rei ⁇ n Trent of the relay contacts after the switching of the relay.
  • Another embodiment of the circuit arrangement provides for the current control resistor electrically maral ⁇ ended bypass optocoupler before.
  • a further embodiment of the circuit arrangement provides a second bypass capacitor electrically connected in parallel with the isolator and / or a third bypass capacitor.
  • the third bypass capacitor is electrically parallel to a self-conducting Field effect transistor, the blocking member and the separator ent ⁇ held part of the circuit connected.
  • FIG. 1 shows a first circuit arrangement for a digital input of an electronic device according to the prior art
  • FIG 2 shows a second circuit arrangement for a digital input of an electronic device according to the prior art
  • FIG 3 shows a first embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN circuit arrangement for a digital input of an electronic device
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN circuit arrangement for a digital input of an electronic device
  • FIG. 5 shows a third embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN circuit arrangement for a digital input of an electronic device
  • FIG. 6 shows a fourth exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention for a digital input of an electronic device
  • FIG. 7 shows a fifth embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN circuit arrangement for a digital input of an electronic device
  • FIG. 8 shows a sixth embodiment of a fiction, ⁇ contemporary circuit arrangement for a digital input of an electronic device. Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
  • FIG. 1 shows a first conventional circuit arrangement for a digital input of an electronic device, for example an automation device used in industry or energy technology.
  • the circuit arrangement comprises a semiconductor diode D, a of the semiconductor diode D downstream Zener diode V z, a Zener diode Vz downstream resistor R v and a series resistor R v downstream optocoupler 0 T with a light emitting diode L as an optical transmitter and a photo-transistor PT as an optical Receiver.
  • the semiconductor diode D is used to rectify a current flow through the circuit arrangement, the zener diode V z de ⁇ defines a switching threshold of the digital input, the Vorwi ⁇ resistance R v limits the electrical current flow through the light emitting diode L of the optocoupler 0 T , and the optocoupler 0 T.
  • Such a circuit arrangement has the disadvantage that it can be used only for a relatively small range of input voltages U applied to the digital input. Namely, by the series resistor R v , the current flowing through the light emitting diode L increases by a factor of 10 when the input voltage U increases 10 times, for example, and the total power loss of the digital input in this example increases by a factor of 100.
  • FIG second conventional circuit arrangement for a digital input of an electronic device In this case, a current-limiting diode CLD (current limiting diode) replaces the series resistor R v of the circuit arrangement shown in FIG. Order.
  • the constant-current diode CLD stabilizes the electrical current ⁇ rule from a certain stabilization value of the input voltage U by keeping the current at higher input voltages U almost constant.
  • this has the advantage that, starting from the stabilization value, the total power loss of the circuit arrangement only increases linearly with the input voltage U and no longer quadratically as in the case of the circuit arrangement illustrated in FIG.
  • the disadvantage is that commercially available current-regulating diodes CLD tolerate only a maximum supply voltage of about 100 V and thus are not suitable for a larger input voltage range.
  • Figure 3 shows a first embodiment of a circuit arrangement according OF INVENTION ⁇ dung for a digital input of an electronic device.
  • MOSFET M self-conductive metal oxide semiconductor field effect transistor M, hereinafter referred to as MOSFET M, which is arranged between the semiconductor diode D and the zener diode V z ⁇ and the series resistor R v the Darge in Figure 1 ⁇ presented first conventional circuit arrangement or the constant-current diode replaced CLD the embodiment shown in Figure 2 the second conventional circuit arrangement.
  • the MOSFET M has a control terminal G M (gate), a source terminal S M (source), a drain terminal D M (drain) and a substrate terminal B M (bulk) and is formed as an n-channel metal oxide semiconductor field effect transistor ,
  • the drain port D M directly to the semiconductor diode D is verbun ⁇
  • the source terminal S M is connected to the substrate terminal B M
  • the control terminal G M is connected via a current ⁇ control resistor R B to the source terminal S M and di ⁇ rectly with connected to the zener diode V z .
  • the current control resistor R B provides at current flow for ei ⁇ ne negative voltage at the control terminal G M of the MOSFET M and thereby adjusts the current corresponding to the characteristic of MOSFET M on.
  • the MOSFET M thus acts as a dynamic current source of the circuit arrangement.
  • the Zener diode Vz be ⁇ acts as in the conventional circuit arrangements according to Figures 1 and 2 to set a switching threshold of the circuit arrangement, from which it is SENS ⁇ Lich for input signals.
  • the semiconductor diode D protects the electronic circuit from harmful input voltages U.
  • the circuit arrangement shown in FIG. 3 has the advantage that metal oxide semiconductor field effect transistors with relatively high blocking voltages can be obtained and a wide input voltage range can be covered by a circuit arrangement according to FIG. 3, in particular between a DC input voltage U of 24 V up to an AC input voltage U of 230 V.
  • MOSFET M for example, an under
  • another self-conducting field-effect transistor for example a self-conducting junction field-effect transistor, can also be used correspondingly.
  • Figure 4 shows a second embodiment of a circuit arrangement according OF INVENTION ⁇ dung for a digital input egg nes electronic device. It differs from the circuit arrangement shown in Figure 3 only in that the semiconductor diode D is replaced by a bridge rectifier B. Compared to the embodiment illustrated in FIG. 3, this circuit arrangement allows a faster response of the digital input to alternating input voltages U by means of a two-way rectification of the electric current. and is therefore to be preferred to the circuit of Figure 3 in cases where such a rapid response is advantageous.
  • Figure 5 shows a third embodiment of a circuit arrangement according OF INVENTION ⁇ dung for a digital input of an electronic device.
  • This exemplary embodiment is a first embodiment of the circuit arrangement illustrated in FIG. 3 by adding various respectively optional protective elements for protecting the circuit from high or high-frequency input voltages U.
  • These protective elements are a suppressor diode V T , suppression capacitors C x , C Y and at least one additional protection element R z , L z .
  • the suppressor diode V T is arranged in the circuit elekt ⁇ rically between the outputs of the semiconductor diode D and the optocoupler 0 T. It serves to protect against a threshold voltage exceeding input voltages U, which could damage the MOSFET M.
  • Decoupling capacitors C x, C Y are so-called each X or Y capacitors electrically ver to the input of Halbleiterdio- de D, possibly via an additional protecting member R z, L z, and / or to the output of the optocoupler 0 T ⁇ are bound. They protect the circuit from input voltages U whose frequency exceeds a protection frequency.
  • the additional protection elements R z , L z are a protective resistor R z connected upstream of the semiconductor diode D and a ballast protection element L z which is connected upstream of the interference suppression capacitors C x , C Y may be an electrical resistance or an inductive electrical component.
  • the protective resistor R z serves primarily to divide the total power loss on the MOSFET M and the protective resistor R z and thereby relieve the MOSFET M.
  • This third embodiment can be varied by ressordiode depending on the requirements to the circuit arrangement at least one of the decoupling capacitors C x, C Y and / or the Supp- V T and / or at least one of the additional protection ⁇ members R z, L z is omitted.
  • Figure 6 shows a fourth embodiment of a circuit arrangement according OF INVENTION ⁇ dung for a digital input egg nes electronic device, which is a second embodiment of the circuit arrangement shown in FIG. 3
  • a first bypass capacitor C s is electrically connected in parallel with the current control resistor R B.
  • This fourth embodiment is particularly advantageous ⁇ way, when the circuit arrangement for reducing the total power loss of the digital input, a non dargestell ⁇ tes, the digital input Feeding electromechanical relay is connected upstream.
  • the circuit arrangement for reducing the total power loss of the digital input a non dargestell ⁇ tes
  • the digital input Feeding electromechanical relay is connected upstream.
  • FIG. 7 shows a fifth embodiment of a circuit arrangement according OF INVENTION ⁇ dung for a digital input of an electronic device which is a third embodiment of the circuit arrangement shown in FIG.
  • FIG. 8 shows a sixth embodiment of a circuit arrangement according OF INVENTION ⁇ dung for a digital input of an electronic device which is a fourth embodiment of the circuit arrangement shown in FIG.
  • This refinement provides a second bridging capacitor C P i electrically connected in parallel with the light-emitting diode L of the optocoupler O T , a series resistor R V arranged between the semiconductor diode D and the MOSFET M, and a third bypass capacitor C P 2, the third bridging capacitor C P 2
  • the capacitor C P 2 is electrically connected in parallel with the part of the circuit arrangement formed by the MOSFET M, the Zener diode V z and the light-emitting diode L.
  • FIGS. 3 to 8 can also be suitably combined.
  • the semiconductor diode D can be replaced by a bridge rectifier B as in FIG. 4 and / or the exemplary embodiments illustrated in FIGS . 6 to 8 can be used around protective elements V T , C x , C Y , R z and / or L z are expanded as in FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Gleichrichter zur Gleichrichtung eines Stromflusses, einen selbstleitenden Feldeffekttransistor, ein Sperrglied zur Sperrung des Stromflusses unterhalb einer Schaltschwelle einer Eingangsspannung (U), und ein Trennglied zur galvanischen Trennung des Digitaleingangs von wenigstens einem mit ihm gekoppelten weiteren Bauteil des elektronischen Gerätes.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes.
Digitaleingänge in Automatisierungsgeräten in der Industrie oder Energietechnik werden mit unterschiedlichen Nennspannun- gen und Wechsel- und Gleichspannungen betrieben, die typischerweise im Bereich zwischen 24 V Gleichspannung und 230 V Wechselspannung liegen. Sie unterliegen ferner häufig hohen Anforderungen an ihre elektromagnetische Verträglichkeit und an ihre diesbezügliche Störfestigkeit.
US 4 275 307 A offenbart eine Eingangsschaltung für ein digitales System mit einem Gleichrichter, einer Schaltung zur dynamischen Strombegrenzung, mehreren Zenerdioden und einem Licht emittierenden Element.
Aus JP 6-177736 A, DE 34 19 227 AI und US 5 909 660 A sind Eingangsschaltungen bekannt, die jeweils wenigstens einen selbstleitenden MOSFET (= Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt¬ transistor) zur Strombegrenzung und ein dazu in Reihe ge- schaltetes Licht emittierendes Element zur galvanischen Iso¬ lierung der Eingangsschaltung aufweisen.
Aus US 5 672 919 A und DE 10 2007 025 243 B3 sind digitale Eingangsschaltungen bekannt, die jeweils einen Gleichrichter, ein Trennglied zur galvanischen Isolierung der Eingangsschaltung, ein Sperrglied zur spannungsabhängigen Sperrung des Stromflusses und einen selbstleitenden Feldeffekttransistor zur Strombegrenzung enthalten. Weitere Eingangsschaltungen mit Optokopplern zu ihrer galvanischen Isolation sind aus US 5 539 352 A, JP 7-46111 A, JP 2-135819 A, US 4 197 471 A und GB 1 403 110 A bekannt. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Schal¬ tungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes anzugeben, die insbesondere für einen weiten Eingangsspannungsbereich geeignet ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An¬ spruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen Digital¬ eingang eines elektronischen Gerätes umfasst wenigstens einen Gleichrichter zur Gleichrichtung eines Stromflusses durch die Schaltungsanordnung, einen dem Gleichrichter nachgeschalteten selbstleitenden Feldeffekttransistor ein dem selbstleitenden Feldeffekttransistor nachgeschaltetes Sperrglied zur Sperrung des Stromflusses unterhalb einer Schaltschwelle einer Ein¬ gangsspannung, und ein dem Sperrglied nachgeschaltetes Trenn- glied zur galvanischen Trennung des Digitaleingangs von we¬ nigstens einem mit ihm gekoppelten weiteren Bauteil des elektronischen Gerätes.
Die wesentlichste Komponente der erfindungsgemäßen Schal- tungsanordnung ist dabei der selbstleitende Feldeffekttransistor. Derartige Transistoren sind mit sehr hohen Sperrspannungen erhältlich und ermöglichen dadurch eine Regelung des Stromflusses durch die Schaltungsanordnung in einem weiten Eingangsspannungbereich, der insbesondere den gesamten Be- reich zwischen 24 V Gleichspannung und 230 V Wechselspannung abdecken kann. Dies ermöglicht vorteilhaft die Konstruktion eines Digitaleingangs für einen derart weiten Eingangsspannungbereich, für den sonst verschiedene herkömmliche Digital¬ eingänge für jeweils Teilbereiche dieses Eingangsspannungbe- reiches vorgesehen werden müssten.
Die weiteren Komponenten der Schaltungsanordnung ermöglichen vorteilhaft eine Gleichrichtung des Stromflusses durch die Schaltungsanordnung zu deren Schutz vor schädlichen Eingangsspannungen falscher Polung und als Verpolschutz bei Gleichspannungsbetrieb der Schaltungsanordnung, die Realisierung einer Schaltschwelle der Schaltungsanordnung in Abhängigkeit von der Eingangssignalstärke, sowie die galvanische Trennung des Digitaleingangs von mit ihm gekoppelten weiteren Bautei¬ len des elektronischen Gerätes.
Vorzugsweise ist der Gleichrichter dabei eine Halbleiterdiode oder ein Brückengleichrichter.
Dabei ermöglicht ein Brückengleichrichter durch seine Zweiweggleichrichtung des elektrischen Stromes eine schnellere Reaktion des Digitaleingangs auf Wechsel-Eingangsspannungen als die Halbleiterdiode, und ist deshalb bevorzugt für Anwen¬ dungen vorgesehen, bei denen eine derartige schnelle Reaktion vorteilhaft ist. Andernfalls ist die Verwendung einer Halb¬ leiterdiode als Gleichrichter bevorzugt, da sie gegenüber der Verwendung eines Brückengleichrichters kostengünstiger reali- sierbar ist und die Gesamtverlustleistung des Digitaleingangs reduziert. Der Brückengleichrichter bewirkt nämlich einen Stromfluss sowohl bei einer positiven als auch einer negativen Eingangsspannung und somit bei einer anliegenden Wechsel- Eingangsspannung für beide Halbwellen der Eingangsspannung.
In einer Ausgestaltung ist der selbstleitende Feldeffekttransistor ein selbstleitender Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt¬ transistor . Dabei sind vorzugsweise ein Steueranschluss und ein Quellen- anschluss des selbstleitenden Metalloxid-Halbleiter-Feldef¬ fekttransistors über einen Stromsteuerungswiderstand verbun¬ den . Der Stromsteuerungswiderstand sorgt dabei bei Stromfluss für eine Spannung am Steueranschluss des Feldeffekttransistors, welche die Stromstärke entsprechend der Kennlinie des Feldef¬ fekttransistors einstellt. Der Feldeffekttransistor wirkt da- durch wie eine dynamische Stromquelle der Schaltungsanord¬ nung .
In einer alternativen Ausgestaltung ist der selbstleitende Feldeffekttransistor ein selbstleitender Sperrschicht-Feldeffekttransistor.
Das Sperrglied ist vorzugsweise als eine Zenerdiode ausgebil¬ det .
Dies ermöglicht vorteilhaft eine einfache und kostengünstige Realisierung einer Schaltschwelle des Digitaleingangs.
Das Trennglied ist vorzugsweise als ein Optokoppler ausgebil- det.
Dies ermöglicht vorteilhaft eine sichere galvanische Trennung des Digitaleingangs von den mit ihm gekoppelten Bauteilen des elektronischen Gerätes.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sieht wenigstens ein Schutzglied zum Schutz vor Eingangsstörspannungen vor. Dadurch können vorteilhaft Anforderungen an die Störfestigkeit des Digitaleingangs erfüllt werden.
Ein Schutzglied ist dabei bevorzugt eine Suppressordiode oder ein Varistor zum Schutz vor einen Schutzschwellwert über- schreitenden Eingangsspannungen.
Dadurch können die Schaltungsanordnung und vor allem der in ihr enthaltene Feldeffekttransistor vor schädlichen Überspannungen geschützt werden. Dies ist insbesondere deshalb vor- teilhaft, da Feldeffekttransistoren leicht durch Überspannungen zerstört werden können. Alternativ oder zusätzlich kann die Schaltungsanordnung wenigstens einen Entstörkondensator als Schutzglied vor Eingangsspannungen aufweisen, deren Frequenz eine Schutzfrequenz überschreitet .
Dadurch kann die Schaltungsanordnung vorteilhaft vor schädlichen hochfrequenten Spannungen geschützt werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Schaltungsanordnung sieht ei- nen zu dem Stromsteuerungswiderstand elektrisch parallel ge¬ schalteten ersten Überbrückungskondensator vor.
Diese Ausgestaltung ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Schaltungsanordnung ein Relais vorgeschaltet ist. Bei einem derartigen Relais können im Laufe der Zeit die Relaiskontakte oxidieren, wodurch die Zuverlässigkeit der aus dem Relais und der Schaltungsanordnung bestehenden Gesamtschaltung beeinträchtigt wird. Durch den ersten Überbrückungskondensator wird nach dem Schalten des Relais kurzzeitig der Stromsteue- rungswiderstand zumindest teilweise überbrückt und dadurch ein höherer Stromfluss eingestellt, der vorteilhaft eine Rei¬ nigung der Relaiskontakte ermöglicht.
Eine andere Ausgestaltung der Schaltungsanordnung sieht einen zu dem Stromsteuerungswiderstand elektrisch parallel geschal¬ teten Überbrückungsoptokoppler vor.
Dies ermöglicht, den elektrischen Strom durch die Schaltungs¬ anordnung nur jeweils für ein bestimmtes Zeitintervall flie- ßen zu lassen und dadurch deren Gesamtverlustleistung vorteilhaft zu reduzieren, wobei die Stromschaltungen durch den Überbrückungsoptokoppler herbeigeführt werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Schaltungsanordnung sieht ei- nen zu dem Trennglied elektrisch parallel geschalteten zweiten Überbrückungskondensator und/oder einen dritten Überbrückungskondensator vor. Dabei ist der dritte Überbrückungskondensator elektrisch parallel zu einem den selbstleitenden Feldeffekttransistor, das Sperrglied und das Trennglied ent¬ haltenen Teil der Schaltungsanordnung geschaltet.
Durch den zweiten oder dritten Überbrückungskondensator kön- nen vorteilhaft kurzzeitige Spannungsspitzen (so genannte Spikes) , steile Schaltflanken und Halbwellen von Eingangs¬ spannungen geglättet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
FIG 1 eine erste Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes gemäß dem Stand der Technik,
FIG 2 eine zweite Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes gemäß dem Stand der Technik, FIG 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge¬ mäßen Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes,
FIG 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsge¬ mäßen Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes,
FIG 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge¬ mäßen Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes,
FIG 6 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge- mäßen Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes,
FIG 7 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge¬ mäßen Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes, und
FIG 8 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs¬ gemäßen Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt eine erste herkömmliche Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes, beispielsweise eines in der Industrie oder Energietechnik verwendeten Automatisierungsgerätes. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Halbleiterdiode D, eine der Halbleiterdiode D nachgeschaltete Zenerdiode Vz, einen der Zenerdiode Vz nachgeschalteten Vor- widerstand Rv und einen dem Vorwiderstand Rv nachgeschalteten Optokoppler 0T mit einer Leuchtdiode L als optischem Sender und einem Fototransistor PT als optischem Empfänger.
Die Halbleiterdiode D dient der Gleichrichtung eines Strom- flusses durch die Schaltungsanordnung, die Zenerdiode Vz de¬ finiert eine Schaltschwelle des Digitaleingangs, der Vorwi¬ derstand Rv begrenzt den elektrischen Stromfluss durch die Leuchtdiode L des Optokopplers 0T, und der Optokoppler 0T trennt den Digitaleingang galvanisch von wenigstens einem mit ihm gekoppelten weiteren Bauteil des elektronischen Gerätes, beispielsweise einem Mikroprozessor, der über den Digitaleingang empfangene Eingangssignale verarbeitet, wobei das we¬ nigstens eine weitere Bauteil mit dem Fototransistor PT ver¬ bunden ist.
Eine derartige Schaltungsanordnung hat den Nachteil, dass sie nur für einen relativ geringen Bereich von am Digitaleingang anliegenden Eingangsspannungen U verwendbar ist. Durch den Vorwiderstand Rv erhöht sich nämlich der durch die Leuchtdio- de L fließende Strom bei z.B. 10-facher Erhöhung der Eingangsspannung U um einen Faktor 10 und dadurch erhöht sich die Gesamtverlustleistung des Digitaleingangs in diesem Beispiel um den Faktor 100. Figur 2 zeigt eine zweite herkömmliche Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes. Dabei ersetzt eine Stromregeldiode CLD (current limiting diode) den Vorwiderstand Rv der in Figur 1 dargestellten Schaltungsan- Ordnung. Die Stromregeldiode CLD stabilisiert den elektri¬ schen Strom ab einem bestimmten Stabilisierungswert der Eingangsspannung U, indem sie den Strom bei höheren Eingangsspannungen U nahezu konstant hält. Dies hat gegenüber der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung den Vorteil, dass ab dem Stabilisierungswert die Gesamtverlustleistung der Schaltungsanordnung nur noch linear mit der Eingangsspannung U ansteigt und nicht mehr quadratisch wie bei der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung. Nachteilig ist je- doch, dass kommerziell verfügbare Stromregeldioden CLD nur eine maximale Versorgungsspannung von etwa 100 V vertragen und somit nicht für einen größeren Eingangsspannungsbereich geeignet sind. Figur 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes. Sie unterscheidet sich von den in den Figuren 1 und 2 dargestellten herkömmlichen Schaltungsanordnungen durch einen selbstleitenden Metalloxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor M, im Folgenden als MOSFET M bezeichnet, der zwischen der Halbleiterdiode D und der Zenerdiode Vz an¬ geordnet ist und den Vorwiderstand Rv der in Figur 1 darge¬ stellten ersten herkömmlichen Schaltungsanordnung bzw. die Stromregeldiode CLD der in Figur 2 dargestellten zweiten her- kömmlichen Schaltungsanordnung ersetzt. Der MOSFET M weist einen Steueranschluss GM (Gate) , einen Quellenanschluss SM (Source) , einen Abflussanschluss DM (Drain) und einen Sub- stratanschluss BM (Bulk) auf und ist als n-Kanal Metalloxid- Halbleiter-Feldeffekttransistor ausgebildet. Dabei ist der Abflussanschluss DM direkt mit der Halbleiterdiode D verbun¬ den, der Quellenanschluss SM ist mit dem Substratanschluss BM verbunden, und der Steueranschluss GM ist über einen Strom¬ steuerungswiderstand RB mit dem Quellenanschluss SM und di¬ rekt mit der Zenerdiode Vz verbunden.
Der Stromsteuerungswiderstand RB sorgt bei Stromfluss für ei¬ ne negative Spannung am Steueranschluss GM des MOSFET M und stellt die Stromstärke dadurch entsprechend der Kennlinie des MOSFET M ein. Der MOSFET M wirkt dadurch wie eine dynamische Stromquelle der Schaltungsanordnung. Die Zenerdiode Vz be¬ wirkt wie in den herkömmlichen Schaltungsanordnungen gemäß den Figuren 1 und 2 die Einstellung einer Schaltschwelle der Schaltungsanordnung, ab der sie für Eingangssignale empfind¬ lich ist. Die Halbleiterdiode D schützt die elektronische Schaltung vor schädlichen Eingangsspannungen U.
Die in Figur 3 dargestellte Schaltungsanordnung hat gegenüber den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Schaltungsanordnungen den Vorteil, dass Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren mit relativ hohen Sperrspannungen erhältlich sind und sich mit einer Schaltungsanordnung gemäß Figur 3 dadurch ein weiter Eingangsspannungsbereich abdecken lässt, insbeson- dere zwischen einer Gleichstrom-Eingangsspannung U von 24 V bis zu einer Wechselstrom-Eingangsspannung U von 230 V.
Als MOSFET M eignet sich beispielsweise ein unter
http : //ww . datasheetcatalog . org/datasheet /s iemens /BSPI 35. pdf beschriebener Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor oder ähnliche n-Kanal-Kleintransistoren mit hohen dynamischen Widerständen .
Statt des MOSFET M kann auch entsprechend ein anderer selbst- leitender Feldeffekttransistor, beispielsweise ein selbstleitender Sperrschicht-Feldeffekttransistor eingesetzt werden.
Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang ei- nes elektronischen Gerätes. Sie unterscheidet sich von der in Figur 3 dargestellten Schaltungsanordnung nur dadurch, dass die Halbleiterdiode D durch einen Brückengleichrichter B ersetzt ist. Gegenüber dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ermöglicht diese Schaltungsanordnung durch eine Zweiweg¬ gleichrichtung des elektrischen Stromes eine schnellere Reaktion des Digitaleingangs auf Wechsel-Eingangsspannungen U, und ist deshalb der Schaltungsanordnung gemäß Figur 3 in Fällen zu bevorzugen, in denen eine derartige schnelle Reaktion vorteilhaft ist. Sie verursacht jedoch eine höhere Gesamtver¬ lustleistung des Digitaleingangs als eine vergleichbare in Figur 3 dargestellte Schaltungsanordnung, da der Brückengleichrichter B einen Stromfluss sowohl bei einer positiven als auch einer negativen Eingangsspannung U bewirkt und somit bei einer anliegenden Wechsel-Eingangsspannung U beide Halbwellen der Eingangsspannung U einen Stromfluss herbeiführen.
Figur 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes. Dieses Ausführungsbeispiel ist eine erste Ausgestaltung der in Figur 3 dargestellten Schal- tungsanordnung durch Hinzufügung verschiedener jeweils optionaler Schutzglieder zum Schutz der Schaltung vor hohen oder hochfrequenten Eingangsspannungen U.
Diese Schutzglieder sind eine Suppressordiode VT, Entstörkon- densatoren Cx, CY und wenigstens ein Zusatzschutzglied Rz, Lz.
Die Suppressordiode VT ist in der Schaltungsanordnung elekt¬ risch zwischen den Ausgängen der Halbleiterdiode D und des Optokopplers 0T angeordnet. Sie dient zum Schutz vor einen Schutzschwellwert überschreitenden Eingangsspannungen U, die den MOSFET M beschädigen könnten.
Die Entstörkondensatoren Cx, CY sind jeweils so genannte X- oder Y-Kondensatoren, die mit dem Eingang der Halbleiterdio- de D, möglicherweise über ein Zusatzschutzglied Rz, Lz, und/oder mit dem Ausgang des Optokopplers 0T elektrisch ver¬ bunden sind. Sie schützen die Schaltungsanordnung vor Eingangsspannungen U, deren Frequenz eine Schutzfrequenz überschreitet .
Die Zusatzschutzglieder Rz, Lz sind ein der Halbleiterdiode D vorgeschalteter Schutzwiderstand Rz und ein den Entstörkondensatoren Cx, CY vorgeschaltetes Vorschaltschutzglied Lz, das ein elektrischer Widerstand oder ein induktives elektrisches Bauelement sein kann. Dabei dient der Schutzwiderstand Rz vor allem dazu, die Gesamtverlustleistung auf den MOSFET M und den Schutzwiderstand Rz aufzuteilen und dadurch den MOSFET M zu entlasten.
Dieses dritte Ausführungsbeispiel kann variiert werden, indem je nach den Anforderungen an die Schaltungsanordnung wenigstens einer der Entstörkondensatoren Cx, CY und/oder die Supp- ressordiode VT und/oder wenigstens eines der Zusatzschutz¬ glieder Rz, Lz weggelassen wird.
Figur 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang ei- nes elektronischen Gerätes, das eine zweite Ausgestaltung der in Figur 3 dargestellten Schaltungsanordnung ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein erster Überbrückungskondensator Cs elektrisch parallel zu dem Stromsteuerungswiderstand RB geschaltet .
Dieses vierte Ausführungsbeispiel ist besonders dann vorteil¬ haft, wenn der Schaltungsanordnung zur Reduzierung der Gesamtverlustleistung des Digitaleingangs ein nicht dargestell¬ tes, den Digitaleingang speisendes elektromechanisches Relais vorgeschaltet ist. Bei einem derartigen Relais können im Lau¬ fe der Zeit an den Relaiskontakten Oxidationsprobleme auftre¬ ten, die die Zuverlässigkeit der aus dem Relais und der
Schaltungsanordnung bestehenden Gesamtschaltung beeinträchtigen. Derartige Oxidationsprobleme werden vorteilhaft durch den ersten Überbrückungskondensator Cs reduziert, da dieser zum SchaltZeitpunkt des Relais kurzzeitig einen höheren Strom fließen lässt und dadurch eine Reinigung der Relaiskontakte ermöglicht. Durch den Überbrückungskondensator Cs wird nämlich nach dem Schalten des Relais kurzzeitig die Spannung am Steueranschluss GM des MOSFET M herabgesetzt, wodurch sich ein höherer Stromfluss einstellt. Figur 7 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes, das eine dritte Ausgestaltung der in Figur 3 dargestellten Schaltungsanordnung ist. Diese Aus- gestaltung sieht einen zu dem Stromsteuerungswiderstand RB elektrisch parallel geschalteten Überbrückungsoptokoppler 0D und einen diesem und dem Stromsteuerungswiderstand RB vorge¬ schalteten Vorwiderstand Rv vor. Dies ermöglicht, den elektrischen Strom nur jeweils für ein durch die Eigenschaften der Komponenten der Schaltungsanordnung vorgebbares Zeitintervall fließen zu lassen und durch das resultierende Puls-/Pausenverhältnis die Gesamtverlust¬ leistung vorteilhaft zu reduzieren. Dabei ermöglicht der Überbrückungsoptokoppler 0D die Stromschaltungen, indem er den elektrischen Widerstand der aus ihm, dem Stromsteuerungs¬ widerstand RB und dem Vorwiderstand Rv gebildeten Teilschal¬ tung gegenüber dem Stromsteuerungswiderstand RB und über den Steueranschluss GM des MOSFET M den resultierenden Stromfluss reduziert. Dabei treten am Überbrückungsoptokoppler 0D nur relativ geringe Schaltspannungen, beispielsweise im Bereich weniger Volt, auf, wodurch vorteilhaft kostengünstige Stan¬ dardbauteile verwendet werden können. Figur 8 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes, das eine vierte Ausgestaltung der in Figur 3 dargestellten Schaltungsanordnung ist. Diese Ausgestaltung sieht einen zu der Leuchtdiode L des Optokopplers 0T elektrisch parallel geschalteten zweiten Überbrückungskon- densator CPi, einen zwischen der Halbleiterdiode D und dem MOSFET M angeordneten Vorwiderstand Rv sowie einen dritten Überbrückungskondensator CP2 vor, wobei der dritte Überbrü- ckungskondensator CP2 zu dem aus dem MOSFET M, der Zenerdiode Vz und der Leuchtdiode L gebildeten Teil der Schaltungsanord¬ nung elektrisch parallel geschaltet ist. Durch die Überbrü- ckungskondensatoren CPi, CP2 können vorteilhaft Spannungsspit¬ zen, steile Schaltflanken und Halbwellen von Eingangsspannun- gen U abgefangen und das Eingangssignal somit entprellt wer¬ den. Auch das sechste Ausführungsbeispiel kann variiert wer¬ den, indem entweder der zweite Überbrückungskondensatoren CPi oder der dritte Überbrückungskondensator CP2 und der Vorwi- derstand Rv weggelassen werden.
Die in den Figuren 3 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiele können ferner geeignet kombiniert werden. Beispielsweise kann in den in den Figuren 5 bis 8 dargestellten Ausführungsbei- spielen jeweils die Halbleiterdiode D durch einen Brücken¬ gleichrichter B wie in Figur 4 ersetzt werden und/oder die in den Figuren 6 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiele können um Schutzglieder VT, Cx, CY, Rz und/oder Lz wie in Figur 5 erweitert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Gerätes, wenigstens umfassend:
- einen Gleichrichter zur Gleichrichtung eines Stromflusses durch die Schaltungsanordnung,
- ein dem Gleichrichter nachgeschaltetes Sperrglied zur Sperrung des Stromflusses unterhalb einer Schaltschwelle einer Eingangsspannung (U) , und
- ein dem Sperrglied nachgeschaltetes Trennglied zur galvani¬ schen Trennung des Digitaleingangs von wenigstens einem mit ihm gekoppelten weiteren Bauteil des elektronischen Gerätes,
gekennzeichnet durch einen dem Gleichrichter nachgeschalte- ten und dem Sperrglied vorgeschalteten selbstleitenden
Feldeffekttransistor und durch eine Suppressordiode (VT) oder einen Varistor als Schutzglied zum Schutz vor einen Schutzschwellwert überschreitenden Eingangsspannungen (U) .
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter eine Halblei¬ terdiode (D) ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter ein Brückengleichrichter (B) ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der selbstleitende Feldeffekt¬ transistor ein selbstleitender Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (M) ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Steueranschluss (GM) und ein Quellenanschluss (SM) des selbstleitenden Metalloxid-Halb¬ leiter-Feldeffekttransistors (M) über einen Stromsteuerungs- widerstand (RB) verbunden sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5,
gekennzeichnet durch einen zu dem Stromsteuerungswider- stand (RB) elektrisch parallel geschalteten ersten Überbrü- ckungskondensator (Cs) .
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6,
gekennzeichnet durch einen zu dem Stromsteuerungswider- stand (RB) elektrisch parallel geschalteten Überbrückungsop- tokoppler (0D) .
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der selbstleitende Feldeffekt- transistor ein selbstleitender Sperrschicht-Feldeffekttransistor ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrglied eine Zenerdio- de (Vz) ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Trennglied ein Optokopp¬ ler (0T) ist.
11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch wenigstens einen Entstörkondensator (Cx, CY) als Schutzglied vor Eingangsspannungen (U) , deren Frequenz eine Schutzfrequenz überschreitet.
12. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, gekennzeichnet durch einen zu dem Trennglied elek¬ trisch parallel geschalteten zweiten Überbrückungskondensa- tor (CPI) .
13. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dritten Überbrückungskon- densator (Cp2) , der zu einem den selbstleitenden Feldeffekt¬ transistor, das Sperrglied und das Trennglied enthaltenen Teil der Schaltungsanordnung elektrisch parallel geschaltet ist .
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