Beschreibung

Anordnung und Verfahren zum Umwandeln eines digitalen Signals mit einem hohen Spannungshub in ein digitales Signal mit ei- nem demgegenüber kleineren Spannungshub

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Umwandeln eines ersten digitalen Signals - nachfolgend kurz digitales Hochspannungssignal genannt - mit einem ersten Spannungshub in ein zweites digitales Signal - nachfolgend kurz digitales Niederspannungssignal genannt - mit einem gegenüber dem ersten Spannungshub kleineren zweiten Spannungshub. Die Begriffe Hochspannungssignal und Niederspannungssignal drücken in diesem Zusammenhang lediglich das relative Spannungsverhältnis zwischen den beiden Signalen aus und beziehen sich nicht auf absolute Spannungsbereiche _/ der absolute Spannungsbereich spielt für die Erfindung keine Rolle: So können die beiden Signale beispielsweise jeweils in einem Spannungsbereich zwischen 0 und 5 V oder auch in einem Spannungsbereich von vie- len hundert Volt liegen. Zum Beispiel kann das Hochspannungs- signal einen Spannungshub zwischen 0 und 10-300 V aufweisen und das Niederspannungssignal in einem Bereich zwischen 0 und 5 V liegen. Unter dem Begriff Spannungshub ist dabei die Differenz zwischen dem maximalen Spannungswert und dem minimalen Spannungswert des jeweiligen Signals zu verstehen.

Eine Anordnung zum Umwandeln eines digitalen Hochspannungs- signals in ein digitales Niederspannungssignal kann beispielsweise durch einen ohmschen Spannungsteiler gebildet sein, der mindestens zwei in Reihe geschaltete ohmsche Widerstände aufweist. Wird außen an die Reihenschaltung ein digitales Hochspannungssignal angelegt, so kann an jedem der in Reihe geschalteten ohmschen Widerstände ein digitales Spannungssignal abgegriffen werden, das einen geringeren Span-

nungshub als das eingangsseitig anliegende digitale Hochspannungssignal aufweist. Eine solche Anordnung ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass relativ hohe elektrische Verluste auftreten, da an der Reihenschaltung der ohmschen Einzelwi- derstände stets das digitale Hochspannungssignal anliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Umwandeln eines digitalen HochspannungsSignals in ein digitales Niederspannungssignal anzugeben, bei dem möglichst gerin- ge elektrische Verluste auftreten. Außerdem soll in relativ einfacher Weise gleichzeitig eine galvanische Trennung zwischen dem digitalen Hochspannungssignal und dem digitalen Niederspannungssignal erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit einer Schwellwertdetektionseinrichtung erreicht, die ein eingangsseitig anliegendes Eingangssignal, das dem digitalen Hochspannungssignal entspricht oder mit diesem gebildet worden ist, mit einem Schwellenwert vergleicht und die - wenn das Eingangssignal den Schwellenwert überschreitet - eine

Pulsfolge bestehend aus Einschalt- und AusschaltImpulsen erzeugt. Die Einschaltimpulse weisen eine vorgegebene Einschaltdauer und eine vorgegebene Einschaltamplitude und die Ausschaltimpulse eine vorgegebene Ausschaltdauer und eine vorgegebene Ausschaltamplitude auf. Die Ausschaltamplitude ist dabei kleiner als die Einschaltamplitude. Außerdem weist die erfindungsgemäße Anordnung eine galvanische Trenneinrichtung auf, die mit dem Ausgang der Schwellwertdetektionsein- richtung verbunden ist und die Pulsfolge der Schwellwertde- tektionseinrichtung unter Potentialtrennung an einen Signal- ausgang der galvanischen Trenneinrichtung weiterleitet. Darüber hinaus ist erfindungsgemäß eine mit der galvanischen Trenneinrichtung verbundene Signalrückgewinnungseinrichtung vorhanden, die mit der am Signalausgang der galvanischen

Trenneinrichtung anliegenden Pulsfolge das digitale Niederspannungssignal erzeugt .

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, dass bei dieser nur relativ geringe elektrische Verluste auftreten. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird nämlich eine Pulsfolge erzeugt, wenn das digitale Hochspannungssignal eine binäre logische „1" aufweist; dies ermöglicht es, die galvanische Trenneinrichtung sowie die Sig- nalrückgewinnungseinrichtung während einer logischen Eins nicht permanent, sondern nur dann elektrisch aktiv zu betreiben, wenn die Pulsfolge Einschaltimpulse erzeugt. Während der Ausschaltimpulse kann die galvanische Trenneinrichtung inaktiv geschaltet werden, wodurch der Energieverbrauch der Ge- samtanordnung reduziert wird. Der Energieverbrauch der Anordnung wird dabei durch das Verhältnis der Einschaltdauer der Einschaltimpulse relativ zur Aussehaltdauer der Ausschaltimpulse bestimmt.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, dass durch die galvanische Trenneinrichtung eine galvanische Entkopplung zwischen dem digitalen HochspannungsSignal und dem digitalen Niederspannungssig- nal erreicht wird; elektrische Verluste durch die galvanische Trenneinrichtung sind dabei gering, da sich diese - wie erläutert - elektrisch zwischen der Schwellwertdetektionsein- richtung, mit der die Pulsfolge mit den Einschalt- und den Ausschaltimpulsen erzeugt wird, und der Signalrückgewinnungs- einrichtung befindet und somit nur während des Vorliegens von EinschaltImpulsen betrieben wird.

Zur Energieversorgung der Schwellwertdetektionseinrichtung wird vorzugsweise das digitale HochspannungsSignal herangezogen; hierzu wird mit der Schwellwertdetektionseinrichtung be-

vorzugt ein Spannungsregler verbunden, an den eingangsseitig das digitale Hochspannungssignal angelegt wird und der mit diesem eine VersorgungsSpannung für die Schwellwertdetektion- seinrichtung bildet. 5.

Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Spannungsregler um einen Tiefsetzsteiler, der gewährleistet, dass die Versorgungsspannung für die Schwellwertdetektionseinrichtung einen kleineren Spannungshub aufweist als das digitale Hochspan- 0 nungssignal am Eingang des Spannungsreglers. Die Versorgungsspannung für die Schwellwertdetektionseinrichtung wird mit dem Spannungsregler vorzugsweise so eingestellt, dass diese eine insgesamt möglichst minimale elektrische Verlustleistung aufweist . 5

Um zu erreichen, dass die Schwellwertdetektionseinrichtung, die galvanische Trenneinrichtung und die nachgeschaltete Signalrückgewinnungseinrichtung insgesamt möglichst wenig Verlustleistung erzeugen, wird es als vorteilhaft angesehen, 0 wenn die Ausschaltamplitude der Ausschaltimpulse möglichst gering ist und idealerweise 0 V beträgt.

Die Signalrückgewinnungseinrichtung ist besonders bevorzugt derart ausgestaltet, dass sie mit der am Signalausgang der 5 galvanischen Trenneinrichtung anliegenden Pulsfolge das digitale Niederspannungssignal derart erzeugt, dass dieses einen Signalverlauf aufweist, der zu dem Signalverlauf des digitalen Hochspannungssignals - von einem etwaigen zeitlichen Versatz abgesehen - proportional ist. Besonders bevorzugt ent- 0 spricht die im digitalen Niederspannungssignal enthaltene binäre Information derjenigen des digitalen Hochspannungssig- nals .

Die Signalrückgewinnungseinrichtung kann beispielsweise durch ein integrierendes Element, beispielsweise durch eine entsprechende Operationsverstärkerschaltung, gebildet sein oder eine solches umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Signalrückgewinnungseinrichtung auch eine Mikroprozessorschaltung aufweisen, mit der aus der Pulsfolge der Schwell- wertdetektionseinrichtung das vom Signalverlauf her dem digitalen HochspannungsSignal entsprechende NiederspannungsSignal gebildet wird.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Umwandeln eines ersten digitalen Signals (Hochspannungssignal) in ein zweites digitales Signal (Niederspannungssignal) mit niedrigerem Spannungshub.

Diesbezüglich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem eine möglichst geringe Verlustleistung beim Umwandeln erzeugt wird und bei dem trotzdem eine galvanische Trennung zwischen dem eingangsseitigen Hoch- Spannungssignal und dem ausgangsseitigen Niederspannungssignal erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das erste digitale Signal mit einem Schwellenwert verglichen wird, dass - wenn das erste digitale Signal den Schwellenwert überschreitet - eine Pulsfolge bestehend aus Einschalt- und Ausschaltimpulsen erzeugt wird, wobei die Einschaltimpulse eine vorgegebene Einschaltdauer und eine vorgegebene Ein- schaltampljitude und die Ausschaltimpulse eine vorgegebene Ausschaltdauer und eine vorgegebene Ausschaltamplitude aufweisen und wobei die Ausschaltamplitude kleiner als die Einschaltamplitude eingestellt wird, dass die Pulsfolge einer Potentialtrennung unter Bildung einer potentialgetrennten

Pulsfolge unterzogen wird und dass mit der potentialgetrennten Pulsfolge das zweite digitale Signal erzeugt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.

Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie bezüglich der Vorteile vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung verwiesen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen beispielhaft

Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung zum Umwandeln eines digitalen Hochspannungssig- nals in ein digitales NiederspannungsSignal,

Figur 2 den zeitlichen Verlauf der in der Anordnung gemäß der Figur 1 auftretenden Signale,

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für eine elektrische Schaltung, die von der Funktion her dem Blockschaltbild gemäß Figur 1 entspricht,

Figur 4 ein Ausführungsbeispiel für eine Signalrückgewin- nungseinrichtung für die Anordnung gemäß den Figuren 1 und 2 und

Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Signal- rückgewinnungseinrichtung für die Anordnung gemäß den Figuren 1 und 2.

In der Figur 1 ist eine Anordnung 10 zum Umwandeln eines ersten digitalen binären Signals - nachfolgend digitales Hochspannungssignal Uh genannt - in ein zweites digitales binäres Signal - nachfolgend kurz Niederspannungssignal Un genannt - dargestellt. Das digitale Hochspannungssignal Uh weist beispielsweise im Falle einer logischen bzw. binären „Eins" eine Spannung Uh zwischen 10 V und 300 V und im Falle einer logischen bzw. binären „Null" eine Spannung von Null Volt auf. Nachfolgend wird beispielhaft davon ausgegangen, dass die Spannung Uh für eine logische „Eins" 300 Volt beträgt.

Die Anordnung 10 umfasst eingangsseitig einen Spannungsregler 20, der an seinem Signaleingang E20 mit dem digitalen Hochspannungssignal Uh beaufschlagt ist. Der Spannungsregler 20 erzeugt mit dem eingangsseitig anliegenden digitalen Hochspannungssignal Uh eine Versorgungsspannung Uv und gibt diese an einem Ausgang A20 ab. Mit dem Ausgang A20 des Spannungsreglers 20 ist ein Spannungsversorgungsanschluss V30 einer Schwellwertdetektionseinrichtung 30 verbunden. Durch die von dem Spannungsregler 20 erzeugte VersorgungsSpannung Uv wird die Schwellwertdetektionseinrichtung 30 mit elektrischer E- nergie zu deren Betrieb versorgt. Die Schwellwertdetektion- seinrichtung 30 weist darüber hinaus einen Signaleingang E30 auf, der mit dem digitalen Hochspannungssignal Uh beauf- schlagt ist.

Einem Ausgang A30 der Schwellwertdetektionseinrichtung 30 ist eine galvanische Trenneinrichtung 40 nachgeordnet, deren Signalausgang A40 mit einer Signalrückgewinnungseinrichtung 50 verbunden ist. Die Signalrückgewinnungseinrichtung 50 erzeugt ausgangsseitig das digitale Niederspannungssignal Un.

Die Anordnung gemäß der Figur 1 lässt sich wie folgt betreiben:

Liegt am Eingang E20 des Spannungsreglers 20 eine Eingangsspannung an, die eine für den Betrieb des Spannungsreglers 20 vorgegebene MinimalSpannung (z. B. mindestens 5 V) über- schreitet, so wird der Spannungsregler 20 in Betrieb genommen. Während des Betriebs des Spannungsreglers 20 erzeugt dieser an seinem Ausgang A20 die VersorgungsSpannung Uv, die aufgrund der Reglereigenschaften des Spannungsreglers 20 unabhängig von der konkreten Höhe des HochspannungsSignals Uh weitgehend konstant ist. Die AusgangsSpannung Uv kann beispielsweise 5 V betragen, und zwar unabhängig davon, ob das Hochspannungssignals Uh im Falle einer logischen Eins eine Spannung von 10 Volt oder von 300 Volt erzeugt.

Sobald an dem Spannungsversorgungsanschluss V30 der Schwell- wertdetektionseinrichtung 30 die VersorgungsSpannung Uv vom Spannungsregler 20 bereitgestellt wird, wird auch die Schwellwertdetektionseinrichtung 30 in Betrieb genommen. Dies führt dazu, dass die Schwellwertdetektionseinrichtung 30 das an ihrem Signaleingang E30 anliegende digitale Hochspannungs- signal Uh mit einem in der Schwellwertdetektionseinrichtung 30 fest vorgegebenen bzw. fest eingestellten Schwellenwert (z. B. mindestens 5 V) vergleicht.

überschreitet das digitale Hochspannungssignal Uh diesen

Schwellenwert, so erzeugt die Schwellwertdetektionseinrich- tung 30 eine Pulsfolge Pl bestehend aus einer Vielzahl von Einschalt- und Ausschaltimpulsen, die sich abwechseln; dies ist in der Figur 2 dargestellt. Die Einschaltimpulse weisen dabei eine vorgegebene Einschaltdauer und eine vorgegebene

Einschaltamplitude auf; entsprechendes gilt für die Ausschaltimpulse, die ebenfalls eine vorgegebene Ausschaltdauer und eine vorgegebene Ausschaltamplitude aufweisen. Beispielsweise erzeugt die Schwellwertdetektionseinrichtung 30 eine

Pulsfolge mit Einschaltimpulsen, die eine Einschaltamplitude Ae von 5 V und eine Einschaltdauer Tein von beispielsweise einer Millisekunde aufweisen. Die Ausschaltimpulse weisen beispielsweise eine Ausschaltamplitude Aa = 0 V und eine Aus- schaltdauer Taus = 1 ms auf.

Unterschreitet hingegen das digitale Hochspannungssignal Uh den der Schwellwertdetektionseinrichtung 30 vorgegebenen Schwellenwert, so erzeugt die Schwellwertdetektionseinrich- tung 30 ausgangsseitig vorzugsweise eine möglichst kleine Gleichspannung, beispielsweise eine Gleichspannung von 0 V. In diesem Fall wird also keine Pulsfolge, sondern lediglich ein einziges Spannungspotential (z. B von 0 V) an die galvanische Trenneinrichtung 40 angelegt.

Die galvanische Trenneinrichtung 40, bei der es sich beispielsweise um einen Optokoppler handelt, erzeugt bei Vorliegen der beschriebenen Pulsfolge Pl an ihrem Signalausgang A40 ebenfalls eine Pulsfolge, die von der eingangsseitig anlie- genden und von der Schwellwertdetektionseinrichtung 30 gebildeten Pulsfolge Pl galvanisch getrennt ist. Diese Pulsfolge weist die Amplitude Ae' auf ist in der Figur 2 mit dem Bezugszeichen P2 gekennzeichnet .

Die von der galvanischen Trenneinrichtung 40 gebildete PuIs- folge P2 gelangt zu der Signalrückgewinnungseinrichtung 50, die aus der eingangsseitig anliegenden Pulsfolge P2 das digitale Niederspannungssignal Un bildet. Hierzu erzeugt die Signalrückgewinnungseinrichtung 50 ausgangsseitig ein Signal mit einer logischen binären „1" in Form einer AusgangsSpannung von beispielsweise 5 V, sofern eingangsseitig eine Pulsfolge P2 mit sich abwechselnden Einschalt- und Ausschaltimpulsen anliegt; liegt hingegen keine Pulsfolge an, weil die galvanische Trenneinrichtung 40 keine entsprechende Pulsfolge P2

liefert, so erzeugt die Signalrückgewinnungseinrichtung 50 an ihrem Ausgang A50 eine logische binäre „0" vorzugsweise mit einem Spannungspotential von 0 V.

In der Figur 2 ist der zeitliche Verlauf des digitalen Hochspannungssignals Uh, der Pulsfolgen Pl und P2 am Ausgang der Schwellwertdetektionseinrichtung 30 bzw. der galvanischen Trenneinrichtung 40 sowie des sich daraus ergebenden digitalen Niederspannungssignals Un beispielhaft dargestellt.

In der Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel für eine konkrete schaltungstechnische Umsetzung des Blockschaltbilds gemäß der Figur 1 gezeigt. Man erkennt den Spannungsregler 20, der ein- gangsseitig mit dem digitalen HochspannungsSignal Uh beauf- schlagt ist.

Außerdem erkennt man die Schwellwertdetektionseinrichtung 30, die beispielsweise einen Operationsverstärker 100 umfassen kann. Einer der beiden Signaleingänge ElOOa des Operations- Verstärkers 100 ist mit dem digitalen HochspannungsSignal Uh beaufschlagt. Der andere Signaleingang ElOOb des Operationsverstärkers 100 ist an eine Referenzspannung Uref angeschlossen, die den Schwellenwert der Schwellwertdetektionseinrich- tung 30 - wie beschrieben - bestimmt.

Mit dem Ausgang AlOO des Operationsverstärkers 100 ist ein Pulsfolgegenerator 110 verbunden, der bei Anliegen eines entsprechenden Ansteuersignals durch den Operationsverstärker 100 eine Pulsfolge bestehend aus aufeinander folgenden Ein- schalt- und Ausschaltimpulsen erzeugt. Die von dem Pulsfolgegenerator 110 gebildete Pulsfolge entspricht der in der Figur 2 dargestellten Pulsfolge Pl .

Der Ausgang AIlO des Pulsfolgegenerators 110 steht mit einem Optokoppler 130 in Verbindung, der die galvanische Trenneinrichtung 40 gemäß Figur 1 bildet. Am Ausgang A130 des Optokopplers ist die Signalrückgewinnungseinrichtung 50 ange- schlössen, die aus der eingangsseitig anliegenden Pulsfolge P2 des Optokopplers 130 das digitale Niederspannungssignal Un erzeugt .

In der Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel für die Signal- rückgewinnungseinrichtung 50 gemäß den Figuren 1 und 3 gezeigt . Man erkennt einen Widerstand R und einen Kondensator C, an deren Verbindungsstelle 200 ein Eingang E210a eines O- perationsverstärkers 210 angeschlossen ist. Ein anderer Eingang E210b des Operationsverstärkers 210 ist mit einer Refe- renzspannung Uref2 (z. B. Uref2 = 2,5 V) beaufschlagt.

Liegt an der Signalrückgewinnungseinrichtung 50 eine Pulsfolge P2 an, so erzeugt der Operationsverstärker 210 ausgangs- seitig ein Signal mit einer logischen „1". Liegt hingegen am Eingang E50 der Signalrückgewinnungseinrichtung 50 keine

Pulsfolge, sondern lediglich ein Potential von 0 V an, so erzeugt der Operationsverstärker 210 am Ausgang A50 eine Ausgangsspannung Un von 0 V. Mit der durch den Widerstand R, den Kondensator C sowie den Operationsverstärker 210 gebildeten Schaltung lässt sich somit aus der eingangsseitig anliegenden Pulsfolge P2 ein digitales AusgangsSignal Un erzeugen, das - von einer Phasenverschiebung bzw. einem zeitlichen Versatz abgesehen - proportional zum digitalen HochspannungsSignal Uh am Eingang der Schwellwertdetektionseinrichtung 30 verläuft.

In der Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine technische Realisierung der Signalrückgewinnungseinrichtung 50 gemäß den Figuren 1 und 3 gezeigt. Man erkennt eine Mikroprozessoreinrichtung 300, die eine eingangsseitig anliegende

Pulsfolge P2 in ein rechteckförmiges Signal umwandelt, wobei das rechteckförmige Signal stets eine logische „1" aufweist, wenn eingangsseitig sich abwechselnde Einschalt- und Ausschaltimpulse anliegen, und ansonsten eine logische „0" auf- weist.