Schaltungsanordnung zur Übertragung eines Digitalsignals mit einem Optokoppler

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Übertragung eines Digitalsignals mit einem Optokoppler sowie ein Feldgerät zur Prozessinstrumentierung mit einer derartigen Schaltungsanordnung .

In prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Prozessen vielfältige Feldgeräte für die Prozessinstrumentierung eingesetzt. Messumformer dienen zur Erfassung von Prozessvariablen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Durchfluss- menge, Füllstand, Dichte oder Gaskonzentration eines Mediums. Durch Stellglieder kann der Prozessablauf in Abhängigkeit von erfassten Prozessvariablen entsprechend einer beispielsweise von einer Leitstation vorgegebenen Strategie beeinflusst werden. Als Beispiele für Stellglieder seien ein Regelventil, eine Heizung oder eine Pumpe genannt. Zur Übertragung von Prozessvariablen und von Feldgeräteparametern ist an den Feldgeräten eine Kommunikationsschnittstelle vorgesehen, die beispielsweise eine Kommunikation über eine Zweidrahtleitung oder eine drahtlose Kommunikation ermöglicht. Für eine draht- gebundene Kommunikation sind in der Prozessautomatisie ^¬ rung beispielsweise PROFINET, PROFIBUS, Ethernet-IP oder MODBUS TCP verbreitet. Mit einer 4 bis 20 mA-Schnittstelle kann eine Verbindung zwischen Feldgerät und beispielsweise einem Automatisierungsgerät realisiert werden, bei welcher mit einem analogen Stromsignal gleichzeitig ein Wert einer

Prozessvariablen und die zum Betrieb des Feldgeräts erforderliche Hilfsenergie übertragen werden.

Ein derartiges Feldgerät mit 4 bis 20 mA-Schnittstelle ist beispielsweise aus der DE 197 23 645 B4 bekannt. Über eine Zweidrahtleitung wird das Feldgerät zur Kommunikation beispielsweise mit einer Peripheriebaugruppe eines Automatisie ^¬ rungsgeräts verbunden. Ein zwischen den beiden Grenzwerten veränderliches analoges Stromsignal, das einen in dem Feld ^¬ gerät von einem Sensor erfassten Wert einer Prozessvariablen repräsentiert, wird im Falle eines Messumformers von diesem in die Zweidrahtleitung eingeprägt. Dazu ist in dem Feldgerät eine steuerbare Stromquelle vorgesehen. Zudem weist das Feld ^¬ gerät einen Spannungsregler auf, der eine weitgehend konstante Betriebsspannung für die elektronischen Schaltungsteile des Feldgeräts erzeugt. Insbesondere bei Feldgeräten mit 4 bis 20 mA-Schnittstelle, prinzipiell aber auch bei Feld- geräten mit anderen Kommunikationsschnittstellen, bei welchen keine von der Kommunikationsschnittstelle unabhängige Versorgungsmöglichkeit für Betriebsenergie besteht, stellt sich das Problem, dass lediglich eine beschränkte Menge an Versorgungsenergie zur Verfügung steht.

In der DE 10 2009 014 252 AI wird dazu weiter ausgeführt, dass bei der Entwicklung von Feldgeräten mit einer Kommunikationsschnittstelle die Einhaltung des maximal zulässigen Leistungsbedarfs der elektronischen Schaltungsteile immer eine sehr große Herausforderung darstellt. Dabei muss das Feldgerät die geforderten Eigenschaften, z. B. bezüglich Messgenauigkeit oder Diagnosefunktionen, sicher erfüllen. Verstärkt wird das Problem der beschränkt verfügbaren Ver ^¬ sorgungsenergie noch durch die SIL (Safety Integrity Level) - Anforderungen. Dabei müssen beispielsweise alle verwendeten Bauelemente des Feldgeräts ihre Spezifikation bezüglich der zulässigen Versorgungsspannungen einhalten und oftmals sind zur Realisierung einer Redundanz zusätzliche Bauelemente erforderlich. Die elektronischen Schaltungsteile müssen für einen Betrieb unter Worst-Case-Bedingungen ausgelegt werden und die zur Verfügung stehende Versorgungsleistung muss eingehalten werden, auch wenn alle verwendeten Bauelemente ihre maximale Leistung aufnehmen. Da bei einer höheren Versorgungsspannung auch die Leistungsaufnahme elektronischer Bau- elemente, die mit Hilfe der Versorgungsspannung mit der zu ihrem Betrieb erforderlichen Energie versorgt werden, ansteigt, wird die Betriebsspannung möglichst niedrig eingeregelt. Durch eine genaue Spannungsregelung wird dabei sichergestellt, dass diese im Worst-Case die minimal er ^¬ forderliche Betriebsspannung der im Feldgerät eingesetzten elektronischen Schaltungsteile nicht unterschreitet. Dies kann jedoch in nachteiliger Weise zu Problemen bei der Übertragung eines Digitalsignals mit einem Optokoppler führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schal ^¬ tungsanordnung zur Übertragung eines Digitalsignals mit einem Optokoppler zu schaffen, die bei vergleichsweise geringer Betriebsspannung eine zuverlässige Übertragung des Digital ^¬ signals ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Schaltungsanordnung zur Übertragung eines Digitalsignals mit einem Optokoppler die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind eine vorteilhafte Weiterbildung sowie ein Feldgerät zur Prozessinstrumentierung mit einer derartigen Schaltungsanordnung beschrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie gleichzeitig ver ^¬ schiedene Diagnosemöglichkeiten der Schaltungsanordnung bietet und dass die Schaltungsanordnung auch bei geringer Betriebsspannung einen vergleichsweise hohen Strom zur An- steuerung einer im Optokoppler befindlichen Leuchtdiode ermöglicht, so dass eine sichere Übertragung eines Digital ^¬ signals über den Optokoppler gewährleistet werden kann. Zudem zeichnet sie sich durch die Verwendung besonders einfacher und preisgünstiger Bauelemente aus, so dass die mit der Schaltungsanordnung verbundenen Kosten vergleichsweise niedrig sind. Die Schaltungsanordnung ist besonders vorteil ^¬ haft in Feldgeräten zur Prozessinstrumentierung einsetzbar, da durch sie die Erfüllung der Zielanforderungen unterstützt wird und da sie zudem mit vergleichsweise niedrigem Energie ^¬ verbrauch betreibbar ist.

Oftmals werden Schaltungskonzepte gewünscht, die im Fehler ^¬ fall einen definierten / sicheren Zustand erzeugen. Durch Ansteuerung des Optokopplers mit einem Rechtecksignal über einen Kondensator wird der Optokoppler nicht nur bei einem Bruch oder Kurzschluss der Zuleitung, sondern auch bei einem Schluss gegen die Betriebsspannung in einen definier- ten / sicheren Zustand gebracht. Das Rechtecksignal kann auch als positives gepulstes Spannungssignal oder als Wechsel ^¬ signal bezeichnet werden.

Durch die in Sperrrichtung auf den Mittelpunkt der Reihen- Schaltung aufgeschaltete Gleichrichterdiode wird in vorteil ^¬ hafter Weise erreicht, dass die auf die Eingangsleuchtdiode des Optokopplers gegebene Spannungsamplitude deutlich an ^¬ gehoben wird und fast die Pulsamplitude des gepulsten Span ^¬ nungssignals erreicht. Dadurch wird auch bei geringer Be- triebsspannung ein sicheres Schalten des Optokopplers gewährleistet .

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird an einen Ausgang des Optokopplers, an welchem das übertragene Digital- signal abgreifbar ist, ein Glättungskondensator angeschlossen. Dadurch wird bei konstantem Wert des Digitalsignals ein nahezu konstanter, hoher Pegel des Ausgangssignals erzielt.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild eines Feldgeräts,

Figur 2 ein Simulationsmodell einer Schaltungsanordnung zur

Übertragung eines Digitalsignals mit einem Opto ^¬ koppler und

Figur 3 mit dem Simulationsmodell gemäß Figur 2 erhaltene

Signalverläufe .

In Figur 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Messumformers 1 als Beispiel für ein Feldgerät zur Prozessinstrumentierung dargestellt. Der gezeigte Messumformer 1 besitzt eine 4 bis 20 mA-Schnittstelle, die mit zwei Kontakten 2 bzw. 3 an eine Zweidrahtleitung zur Kommunikation mit einer weiteren, in der Figur nicht dargestellten Automatisierungskomponente ange ^¬ schlossen werden kann. Eine Prozessvariable, z. B. ein Pro- zessdruck, wird mit Hilfe eines Sensors 4 erfasst und in einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 5 wird anhand eines von dem Sensor 4 gelieferten Messsignals ein Wert der Prozessvariablen bestimmt. Der zunächst digital vorliegende Wert wird mit Hilfe eines in der Figur nicht dargestellten Digi- tal/Analog-Umsetzers in ein analoges Steuersignal 6 für eine steuerbare Stromquelle 7 umgesetzt, welche in eine ange ^¬ schlossene Zweidrahtleitung einen dem Wert der Prozessvariablen entsprechenden Strom I einprägt. Ein Teil des

Stroms I fließt durch eine Konstantspannungsquelle 8, ein anderer Teil zu einem Spannungsregler 9, der die zur Versorgung elektronischer Schaltungsteile des Feldgeräts 1 erforderliche Betriebsspannung erzeugt. An seinem Ausgang liefert der Spannungsregler 9 dazu eine sehr genaue Versorgungsspannung U2, die aus seiner Eingangsspannung Ul generiert wird. Zur Verbesserung der Genauigkeit der eingestellten Versorgungsspannung U2 ist, wie schon in der eingangs genannten DE 10 2009 014 252 AI beschrieben, ein zweiter Regler 10 vorgesehen, der die Betriebsspannung U2 mit einer Referenzspannung Ur vergleicht und Abweichungen zwi- sehen der Betriebsspannung U2 und der Referenzspannung Ur durch entsprechende Beeinflussung eines auf einen Steuereingang des Spannungsreglers 9 geführten Signals Urefl aus ^¬ regelt. Der zweite Regler 10 kann alternativ zum dargestellten Ausführungsbeispiel entfallen, wenn die gewünschte Ge- nauigkeit der Versorgungsspannung bereits durch den Spannungsregler 9 alleine erzielt wird.

Neben der 4 bis 20 mA-Schnittstelle verfügt der Messumformer 1 über eine Schaltung 11 zur galvanisch getrennten Ausgabe eines Digitalsignals, das an einem Kontakt 12 abgreifbar ist. Zur galvanischen Trennung ist in der Schaltung 11 ein Optokoppler angeordnet. Mit dem digitalen Ausgang kann beispiels- weise das Ergebnis einer Eigendiagnose in Form einer Fehler ^¬ meldung oder einer Alarmmeldung ausgegeben werden.

Anhand des in Figur 2 dargestellten Simulationsmodells und der in Figur 3 eingezeichneten Signalverläufe wird im Folgenden das Funktionsprinzip der Schaltung 11 (Figur 1) näher erläutert. Dabei soll lediglich die Übertragung des Werts „1" mit dem Digitalsignal eingehend beschrieben werden, da die Übertragung des Werts „0", bei welcher der Ausgangstransistor des Optokopplers Ul gesperrt ist, in einfacher Weise durch Nullstrom in der Eingangsdiode des Optokopplers erreicht wer ^¬ den kann. Dazu genügt bereits die Erzeugung eines Spannungs ^¬ signals mit 0 V am Eingang der Schaltung. Zur Übertragung des Werts „1" des Digitalsignals wird auf einem Digitalausgang eines Mikroprozessors, welcher üblicherweise in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 5 (Figur 1) enthalten ist, ein positives gepulstes Spannungssignal ausgegeben. Dieses wird im Simulationsmodell gemäß Figur 2 durch eine Wechselspannungs ^¬ quelle VI modelliert. Über eine Reihenschaltung aus einem Kondensator Cl und einem Widerstand Rl wird die auf der Ein ^¬ gangsseite des Optokopplers befindliche Leuchtdiode mit einem aus dem Wechselsignal resultierenden Strom IN angesteuert. Auf den Mittelpunkt AC der Reihenschaltung ist in Sperrrichtung eine Gleichrichterdiode Dl aufgeschaltet , deren anderer Anschluss mit Bezugspotential verbunden ist.

Der mit der Wechselspannungsquelle VI erzeugte Verlauf 30 eines Spannungssignals ist in dem Zeitdiagramm gemäß Figur 3 dargestellt. In dem Zeitdiagramm sind auf der linken Ordinate die Spannung in Volt, auf der rechten Ordinate die Stromstärke in Mikroampere und auf der Abszisse die Zeit in Milli ^¬ sekunden aufgetragen. Das gepulste Spannungssignal mit dem Verlauf 30 hat eine Pulsamplitude von 3 V, die Dauer der Pulse beträgt jeweils 0,5 ms, die Pausen zwischen den Pulsen jeweils ebenfalls 0,5 ms. Die Ansteuerung des Optokopplers Ul erfolgt also mit einem Wechselsignal, wodurch sowohl ein Bruch in der Zuleitung als auch ein Kurzschluss bzw. ein Schluss gegen die Betriebsspannung in einen definierten / sicheren Zustand führen.

In diesen Fällen wird nämlich durch den Kondensator Cl, der eine Barriere für Gleichspannungssignale darstellt, die

Signalübertragung gesperrt. Am Transistorausgang des Optokopplers wird im Simulationsmodell gemäß Figur 2 mit Hilfe einer Gleichspannungsquelle V2 mit 3 V, eines Widerstands R2 und eines Glättungskondensators C2 ein Spannungssignal am Punkt OUT als übertragenes Digitalsignal erzeugt. Als Ergeb- nis der Simulation werden an einem Punkt AC des Simulationsmodells gemäß Figur 2 ein Spannungsverlauf 31 und als Speise ^¬ strom IN der Eingangsleuchtdiode des Optokopplers Ul ein Ver ^¬ lauf 32 erhalten. Dies führt zu einem Verlauf 33 der Aus ^¬ gangsspannung an dem Punkt OUT des Simulationsmodells gemäß Figur 2, die nach der Übertragung durch den Optokoppler Ul abgegriffen werden kann.

Bei der Simulation wurden die folgenden Bauelemente eingesetzt:

Cl - 1000 nF,

C2 - 100 nF,

Rl - 10 kQ,

R2 - 100 kQ,

VI - 0 ... 3 V,

V2 - 3 V,

Dl - Typ 1N5817 und

Ul - Typ PC817A.

Anhand des Verlaufs 32 des Speisestroms und des Verlaufs 33 der Spannung des Ausgangssignals wird deutlich, dass durch die Schaltungsanordnung ein zur sicheren Durchschaltung des Ausgangstransistors des Optokopplers Ul ausreichender Speise ^¬ strom für dessen Eingangsleuchtdiode erzeugt und somit eine sichere Übertragung eines statischen Digitalsignals selbst bei vergleichsweise niedriger Versorgungsspannung erzielt werden kann. Zudem zeichnet sich die Schaltungsanordnung durch Diagnosemöglichkeiten und geringen Energieverbrauch aus .