Die Erfindung betrifft eine galvanische Isolationskopplung einer Stromschleife mit einem Operationsverstärker als Teil der Stromschleife und einem Optoisolator mit zwei Empfängern. Solch eine galvanische Isolationskopplung ist in der US 5107202 A (G. Render), vom 21.04.1992, 1, beschrieben.

Stromschleifen werden gemeinhin eingesetzt, um Messdaten zu übertragen. Ein Konstantstromsignal, das durch die Stromschleife läuft, wird durch einen Messsensor und einen Messtransmitter erzeugt, wobei eine zu messende Variable zum Beispiel eine Temperatur oder ein Druck sein kann. Das Konstantstromsignal hat typischerweise eine Größe von 4...20 mA, wobei der untere Grenzwert für den Messbereich der zu messenden Variablen entsprechend dem 4 mA Stromsignal und der entsprechende obere Grenzwert für den Messbereich entsprechend dem 20 mA Stromsignal gesetzt werden. Es ist oft erwünscht, dass die das Stromsignal übertragende Stromschleife galvanisch getrennt ist von dem Schaltkreis, der die Messdaten verarbeitet. Zum Beispiel kann die gemessene Information als Rückkopplung für eine Steuerung dienen. Eine galvanische Isolation erlaubt es, die Messdaten in Bezug auf ein Potential zu verarbeiten, welches von dem der Stromschleife unterschiedlich ist, wobei die Zuverlässigkeit der Verarbeitung verbessert und der Aufbau der erforderlichen Kopplung vereinfacht sind. Um die Information des Stromsignals in der Stromschleife ungestört in einen isolierten Stromkreis zu übertragen, muss die Isolationskopplung sehr zuverlässig in ihrem Aufbau und in ihrem Betrieb sein. Störungen bei der Isolation stellten ein Problem bei Isolationskopplungen von Stromschleifen gemäß dem Stand der Technik dar und dementsprechend war es schwierig, das Messsignal angemessen zu verarbeiten.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Isolationskopplung für eine Stromschleife bereitzustellen, mit der die oben genannten Nachteile vermieden werden können und die es ermöglicht, eine Information zuverlässig und genau unter Verwendung einer einfachen Schaltkreislösung von einem Stromsignal einer Stromschleife in einen Schaltkreis zu übertragen, der galvanisch von der Stromschleife getrennt ist. Dies wird erreicht mit einer Kopplung gemäß der Erfindung, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Isolationskopplung auch einen ersten Widerstand aufweist, der als Teil der Stromschleife in Reihe liegt mit einem Operationsverstärker, und eine transmittierende LED eines Optoisolators, derart, dass ein erster Pol des ersten Widerstandes mit der Stromschleife und ein zweiter Pol des ersten Widerstandes mit einem positiven Spannungspunkt des Operationsverstärkers verbunden sind und die Anode der transmittierenden LED mit einem negativen Spannungspunkt des Operationsverstärkers verbunden ist, wodurch die Stromschleife über die Kathode der transmittierenden LED geschlossen ist, und wobei die Kopplung zusätzlich folgendes aufweist:

Eine Parallelkopplung einer Zener-Diode und eines Kondensators zwischen den positiven und negativen Spannungszuführpunkten des Operationsverstärkers derart, dass die Kathode der Zener-Diode an den positiven Spannungszuführpunkt des Operationsverstärkers gekoppelt ist, der weiterhin an den positiven Eingang des Operationsverstärkers gekoppelt ist,

Eine Fotodiode, deren Anode mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist und deren Kathode mit der Kathode der transmittierenden LED verbunden ist, Einen zweiten Widerstand, dessen erster Pol mit dem ersten Pol des ersten Widerstandes und dessen zweiter Pol mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, wodurch die Kathode der ersten empfangenden PIN-Diode des Optoisolators mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers und die Anode mit der Kathode der transmittierenden LED verbunden ist, und

Einen Schaltkreis, der galvanisch von der Stromschleife isoliert ist und eine zweite empfangende PIN-Diode des Optoisolators aufweist.

Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass für die galvanische Isolation eine Operationsverstärkerkopplung zusammen mit einem Optoisolator eingesetzt werden kann, der zwei Empfänger hat. Somit kann die zweite empfangende PIN-Diode des Optoisolators zur Rückkopplung in die Isolationskopplung verwendet werden. Aufgrund der Rückkopplung folgt der Strom der PIN-Diode des galvanisch isolierten Schaltkreises eng dem Strom in der Stromschleife.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Isolationskopplung ist die hohe Genauigkeit und die bei der Isolation erreichte große Bandbreite. Darüber hinaus ist die Isolationskopplung einfach zu implementieren und hat einen stabilen Aufbau.

Nachfolgend wird die Erfindung in Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele mit Blick auf die Zeichnung näher beschrieben, wobei

1 eine galvanische Isolationskopplung einer Stromschleife gemäß der Erfindung zeigt.

1 zeigt eine Isolationskopplung gemäß der Erfindung, mit der eine Stromsignalinformation, die in einer Stromschleife vorliegt, in einen galvanisch isolierten Schaltkreis überführt wird. Die Stromschleife führt einen Strom, dessen Stärke den Wert einer zu messenden Variablen wiedergibt. Die Erfindung ist insbesondere geeignet zur Verwendung bei Stromsignalen eines dynamischen Nullsignals. Das Stromsignal eines dynamischen Nullsignals entspricht dem Minimalwert des Stromsignals von 4 mA. Dieses Stromsignal hat den Vorteil, dass ein möglicher Fehler, der in der Stromschleife oder beim Messsensor oder beim Transmitter auftritt, detektiert werden kann da die Stärke des Stromsignals auf 0 Ampere abfällt.

Eine Isolationskopplung gemäß der Erfindung weist einen Widerstand R1 auf, einen Operationsverstärker A1 und eine transmittierende LED, die LED1 des Optoisolators 1, in Reihe mit der Stromschleife. Der Optoisolator kann beispielsweise vom Typ IL300 sein, hergestellt von Siemens, mit zwei empfangenden PIN-Dioden. Ein erster Pol 3 des Widerstandes R1 ist mit der Stromschleife verbunden, sodass die Stromrichtung der Stromschleife von der Schleife zum Widerstand R1 verläuft. Der zweite Pol 2 des Widerstandes ist mit dem positiven Spannungszuführpunkt V+ des Operationsverstärkers A1 verbunden, der mit dem positiven Eingang Uin+ des Operationsverstärkers verbunden ist. Der Widerstand A1 wird verwendet, um die Stärke des Schleifenstromes aufgrund des Spannungsabfalles über dem Widerstand zu messen. Ist beispielsweise der Widerstand 100 Ohm, beträgt der Spannungsabfall 0,4...2 Volt, in Abhängigkeit von der Stärke des Schleifenstromes.

Nach der Erfindung weist die Kopplung auch eine Zenerdiode Z auf und einen Kondensator C1, die parallel geschaltet sind zwischen den positiven und negativen Spannungszuführpunkten des Operationsverstärkers. Die Kopplung wird so implementiert, dass die Kathode der Zenerdiode mit dem positiven Spannungszuführpunkt V+ verbunden ist. Da der Eingangsstrom des Operationsverstärkers typischerweise wesentlich schwächer ist als der minimale Strom in der Schleife, fließt der Stromüberschuss über die Zenerdiode. Zusammen mit dem Kondensator C1, der als ein Filterkondensator dient, bildet also die Zenerdiode eine stabilisierte Spannungsquelle für den Operationsverstärker A1. Die Spannungstoleranzen der Zenerdiode können zum Beispiel bei 3,3 Volt liegen, womit die Versorgungsspannung des Operationsverstärkers auch bei 3,3 Volt liegt.

Gemäß der Erfindung ist ein Widerstand R2, dessen zweiter Pol auch mit dem ersten Pol 3 des Widerstandes R1 verbunden ist, an den negativen Eingang des Operationsverstärkers A1 angeschlossen. An den Pol des Widerstandes R2, der mit dem Operationsverstärker verbunden ist, ist auch die Kathode der ersten empfangenden PIN-Diode PIN1 des Optoisolators angeschlossen. Die Anode dieser PIN-Diode ist ihrerseits mit der Kathode der transmittierenden LED, LED1, des Optoisolators verbunden wie 1 zeigt. Eine Fotodiode LED2 ist an den Ausgang Alout des Operationsverstärkers A1 angeschlossen, sodass die Anode der Fotodiode an den Ausgang und die Kathode an die Kathode der transmittierenden LED, LED1 angeschlossen sind.

Die Eingangspole des Operationsverstärkers A1 sind verbunden, um den Spannungsabfall entsprechend dem Schleifenstrom in dem Widerstand R1 zu vergleichen und im Widerstand 2 wird ein Spannungsabfall, der durch den Strom der PIN-Diode PIN1 verursacht wird, als Rückkopplung im Optoisolator verwendet. Es ist eine Eigenschaft des Operationsverstärkers, die Ausgangsspannung auf ein Maximum zu erhöhen, wenn die Spannung des positiven Eingangs Uin+ die Spannung am negativen Eingang Uin- überschreitet. Wohingegen in dem Falle, in dem die Spannung am negativen Eingang höher ist, die Spannung des Ausgangs einen Minimalwert annimmt. Aufgrund der Rückkoppelung ist die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers immer 0 Volt und dementsprechend sind die Spannungen über den Widerständen R1 und R2 gleich. Der Zustand des Verstärkerausgangssignals hängt vom Differenzpotential zwischen den Eingangspolen des Verstärkers ab, so dass der Verstärker über die transmittierende LED, LED1 des Optoisolators nur einen Strom zulässt, der eine Größe hat, um die Spannungsverluste in den oben erwähnten Widerständen aneinander anzugleichen, und zwar innerhalb der Grenzen der Toleranz des Verstärkers.

Somit kann der Anteil (des Stroms) der durch die lichtemittierende Diode LED1 des Obtoisolators 1 fließt, mit dem Operationsverstärker A1 gesteuert werden. Steigt der Ausgangspegel des Verstärkers in positiver Richtung, in Bezug auf die negative Versorgungsspannung des Verstärkers, an, so steigt auch der Strom, der durch die anzeigende LED2 fließt an, welche mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist und die transmittierende LED des Optoisolators überbrückt. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, kann die anzeigende LED2 durch einen geeigneten Widerstand oder Dioden ersetzt sein. PIN-Dioden, die in Optoisolatoren verwendet werden, arbeiten so, dass durch die Wirkung des von der transmittierenden LED emittierten Lichtes ein Strom in umgekehrter Richtung durch die PIN-Diode fließt. Die Stärke des Stroms ist proportional der Intensität des von der transmittierenden LED emittierten Lichtes, wobei die Lichtintensität ihrerseits proportional ist zu der Stärke des Stromes durch die transmittierende LED. Somit stellt sich der interne Lichtpegel des Optoisolators immer so ein, dass der Strom der PIN-Diode PIN1 sehr nahe dem Schleifenstrom folgt, jedoch in einem Maße geringer ist entsprechend dem Verhältnis der inversen Werte der Widerstände. Beträgt der Widerstand R1 100 &OHgr;, wie oben erwähnt, und der Beträgt der Widerstand R2 10 k&OHgr;, so beträgt der Strom der PIN-Diode PIN1 ein hundertstel des Schleifenstromes. Für die vorliegende Erfindung ist es wichtig, dass die Widerstände R1 und R2 genau in Bezug zueinander eingestellt sind.

Somit funktioniert die Kopplung gemäß der Erfindung so, dass dann, wenn der Schleifenstrom durch den Widerstand R1, den Operationsverstärker A1 und die transmittierende LED LED1 fließt, ein Spannungsabfall in dem Widerstand R1 erzeugt wird und gleichzeitig das Potential am positiven Eingang des Operationsverstärkers sich ändert. Aufgrund dieser Änderung des Potentials reagiert der Operationsverstärker durch Änderung der Größe seines Ausganges A1out, und errichtet somit gleichzeitig mehr oder weniger Strom in die Schleife, welcher auf der anzeigenden LED, LED2, basiert. Gleichzeitig erzeugt der durch die Reihenverbindung fließende Strom in der transmittierenden LED des Optoisolators einen bestimmten Lichtpegel, der proportional ist zur Stärke des Stroms, wodurch der Widerstand R2 einen Strom durchlässt mit einer Stärke, die die Spannungsdifferenz zwischen den positiven und negativen Eingängen des Optoisolators aufhebt. Die Schaltung gemäß der Erfindung liefert also in Kombination mit der Stromschleife exakt das gewünschte Ergebnis, wodurch der Strom durch die PIN-Diode genau bekannt ist.

Der Optoisolator gemäß der Erfindung weist zwei empfangende PIN-Dioden PIN1, PIN2 auf, die beide in gleicher Weise auf das Licht reagieren, das von der transmittierenden LED1 ausgesendet wird. Nach der Erfindung wird die PIN-Diode PIN1 als Rückkopplung für den Operationsverstärker A1 verwendet, und die PIN-Diode PIN2 wird verwendet zur Bereitstellung der gewünschten galvanischen Isolation von dem Stromschleifen Kreis.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Schaltkreis, der galvanisch von der Stromschleifenschaltung getrennt ist, neben der PIN-Diode PIN2 einen Operationsverstärker A2 auf und ein Widerstand R3 ist zwischen die Annode der PIN-Diode und dem Erdpotential des isolierten Schaltkreises geschaltet. Die Annode ist auch mit der positiven Eingangsspannung Uin+ des Operationsverstärkers A2 verbunden. Die Kathode der PIN-Diode hingegen ist mit dem positiven Spannungszuführpunkt V+ des Operationsverstärkers A2 verbunden, welcher seinerseits mit der Betriebsspannung Vd des isolierten Schaltkreises verbunden ist.

Der Operationsverstärker wird eingesetzt, um eine Spannungsfolgekopplung zu bilden, und zwar durch Koppelung des negativen Spannungseinganges Uin- direkt mit dem Ausgang A2out. Die Kopplung weist auch einen Kondensator C2 auf, der zwischen die Betriebsspannung und das Erdpotential geschaltet ist und dazu dient, einen Filter-Kondensator für die Betriebsspannung zu bilden. Weiterhin ist die negative Zuführspannung des Operationsverstärkers an das Erdpotential des Kreises angeschlossen.

Mit einer derartigen Kopplung ist es möglich, die Strominformation in der Stromschleife in einen Spannungspegel in einem Schaltkreis zu transformieren, der galvanisch von der Stromschleife getrennt ist. Es wird ein Strom erzeugt, der genau die gleiche Stärke hat wie ein durch die Rückkoppelungs-PIN-Diode PIN1 fließender, und zwar in der PIN-Diode PIN2 des isolierten Schaltkreises. Der Widerstand in dem isolierten Schaltkreis sollte genau angepasst sein an die Widerstände in dem Stromschleifenschaltkreis. Der Widerstand R3 sollte genau der Summe der Widerstände R1 und R2 entsprechen. Die Widerstandswerte sind: R1 = 100 &OHgr;, R2 = 10 k&OHgr;, wobei der Widerstand R3 10,1 k&OHgr; beträgt. Das oben erläuterte konstante Stromsignal erzeugt somit eine Spannung Vd am Ausgang A2out des Operationsverstärkers A2, wobei die Spannung entsprechend dem Schleifenstrom in einem Bereich von 0,4...2,0 Volt variiert.

Der Operationsverstärker A2 dient auch zum Puffern der Spannung auf einen brauchbaren Impedanzpegel. Wird das von dem Stromschleifenkreis galvanisch isolierte Signal in einem Schaltkreis mit extrem hoher Impedanz verwendet, ist der Verstärker A2 nicht notwendig.

Es versteht sich für den Fachmann, dass mit fortschreitender Technik die grundlegende Idee der Erfindung in unterschiedlichen Ausführungsformen implementiert werden kann. Somit sind die Erfindung und ihre Ausführungsformen nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern können im Rahmen der Ansprüche variieren.