Leistungsoptimierte Eingangsschaltung

Abstract

 Die erfindungsgemäße Eingangsschaltung beinhaltet zwei Stromquellen (ST₁, ST₂), einen ohmschen Zwischenwiderstand (R_z) und als Baugruppe zur galvanischen Trennung einen Opto-Koppler (O). Zwischenwiderstand (R_z) und Opto-Koppler (O) sind jeweils zwischen die beiden Stromquellen (ST₁, ST₂) geschaltet. Durch die Verwendung einer zweiten Stromquelle (ST₂) anstelle eines ohmschen Vorwiderstands wird die Verlustleistung deutlich reduziert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Eingangsschaltung.

[0002] Eingangsschaltungen werden in allen Bereichen der Elektrotechnik und Elektronik eingesetzt. Sie dienen beispielsweise der galvanischen Trennung. Dazu wird beispielsweise ein Opto-Koppler in der Eingangsschaltung verwendet.

[0003] Fig. 1 zeigt eine bekannte Eingangschaltung beinhaltend einen Opto-Koppler O und eine Stromquelle ST1. Am Ausgang des Opto-Kopplers O liegt die Ausgangsspannung U_A der Eingangsschaltung an. Die Stromquelle ST1 beinhaltet einen ohmschen Vorwiderstand R_V, eine Zener-Diode S, einen Transistor T sowie einen ohmschen Serienwiderstand R_S. Es ist beispielsweise gewählt der Wert des Vorwiderstands R_V= 10 kOhm, der des Serienwiderstand R_S= 2,2 kOhm, die Durchschaltspannung der Zener-Diode S = 4,7 Volt. Der Transistor T ist z.B. ein npn-Transistor, durch den ein 1,8 mAmpère Strom eingestellt ist. Vorwiderstands R_V und Zener-Diode S sind in Reihe geschaltet. Serienwiderstand R_S, Transistor T und Opto-Koppler O sind ebenfalls in Reihe geschaltet. Die Basis des Transistors T ist mit Vorwiderstands R_V und Zener-Diode S verbunden. Der positive Eingang der Eingangsschaltung ist mit Vorwiderstand R_V und Opto-Koppler O verbunden, der negative Eingang mit Zener-Diode S und Serienwiderstand R_S. Zwischen positivem und negativem Eingang liegt die Eingangsspannung U_E.

[0004] Die Eingangsschaltung ist für einen Eingangsspannungsbereich von 10 Volt bis 72 Volt ausgelegt. Solch relativ hohe Schwankungen der Eingangsspannung kommen beispielsweise vor im Eisenbahnsignaltechnikbereich und dort in einer Baugruppe für die parallele Ein-/Ausgabe. Für die Verlustleistung P_V am Vorwiderstand R_V gilt P_V = Rxl² = U²/R. Mit R = R_V = 10 kOhm ergibt sich für eine Eingangsspannung U_E = 10 Volt eine Verlustleistung P_V = 2,8 mWatt und für eine Eingangsspannung U_E = 72 Volt eine Verlustleistung P_V = 453 mWatt. Geringe Eingangsspannungen führen zu einer geringen Verlustleistung, hohe Eingangsspannungen führen zu einer hohen Verlustleistung. Eine hohe Verlustleistung führt zu einer hohen Eigenerwärmung der Eingangsschaltung. Bei hohen Eingangsspannungen erzeugt der Vorwiderstands R_V sehr viel Wärme, woraus zum einem ein hoher Stromverbrauch resultiert und zum anderen zusätzliches Equipment zur Kühlung erfordert, um einem Überhitzen entgegenzuwirken.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, eine leistungsoptimierte Eingangsschaltung bereitzustellen.

[0006] Gelöst wird die Aufgabe durch eine Eingangsschaltung gemäß Patentanspruch 1.

[0007] Durch die Verwendung einer zweiten Stromquelle anstelle des ohmschen Vorwiderstands kann die Verlustleistung bei hohen Eingangsspannungen deutlich reduziert werden.

[0008] Verglichen mit dem Stand der Technik nach Fig. 1 können deutlich mehr Eingänge realisiert werden, wodurch mehr Informationen verarbeitet werden können. Durch die Verringerung der Verlustleistung, z.B. um den Faktor 11, kann z.B. die 11-fache Anzahl an Eingängen realisiert werden. Alternativ kann die Verlustleistung (Wärmeentwicklung) bei gleichbleibender Anzahl der Eingänge um den Faktor 11 reduziert werden. Alternativ kann auch die Anzahl der Eingänge um den Faktor 4 erhöht und gleichzeitig die Verlustleistung (Wärmeentwicklung) ca. um den Faktor 3 reduziert werden.

[0009] Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Zuhilfenahme von Fig. 2 erläutert.

[0010] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Eingangsschaltung.

[0011] Die erfindungsgemäße Eingangsschaltung beinhaltet zwei Stromquellen ST1, ST2, ein Bauelement zur galvanischen Trennung sowie einen ohmschen Zwischenwiderstand R_Z. Das Bauelement zur galvanischen Trennung ist als Opto-Koppler O ausgeführt. Am Ausgang des Opto-Kopplers O liegt die Ausgangsspannung U_A der Eingangsschaltung an.

[0012] Die Anordnung der beiden Stromquellen ST1, ST2 kann als antiseriell bezeichnet werden. Zwischenwiderstand (R_Z) und Opto-Koppler (O) sind jeweils zwischen die beiden Stromquellen (ST₁, ST₂) geschaltet.

[0013] Stromquelle ST₁ beinhaltet Transistor T₁, Zener-Diode S₁ und ohmschen Serienwiderstand R_S1. Stromquelle ST₂ beinhaltet Transistor T₂, Zener-Diode S₂ und ohmschen Serienwiderstand R_S2. Es ist beispielsweise gewählt der Wert des Serienwiderstand R_S1= 2,2 kOhm, die Durchschaltspannung der Zener-Diode S₁ = 4,7 Volt. Der Transistor T₁ ist z.B. ein npn-Transistor, durch den ein 1,8 mAmpère Strom eingestellt ist. Es ist beispielsweise gewählt der Wert des Serienwiderstand R_S2= 6,8 kOhm, die Durchschaltspannung der Zener-Diode S₁ = 4,7 Volt. Der Transistor T₂ ist z.B. ein pnp-Transistor, durch den ein 0,59 mAmpère Strom eingestellt ist. Der Wert des Zwischenwiderstands R_Z ist beispielsweise 220 kOhm.

[0014] Serienwiderstands R_S2, Transistor T₂ und Zener-Diode S₁ sind in Reihe geschaltet. Zener-Diode S₂, Opto-Koppler O, Transistor T₁ und Serienwiderstand R_S1 sind ebenfalls in Reihe geschaltet. Die Basis des Transistors T₂ ist mit Zwischenwiderstand R_Z, Zener-Diode S₂ und Opto-Koppler O verbunden. Die Basis des Transistors T₁ ist mit Zwischenwiderstand R_Z, Zener-Diode S₁ und Transistor T₂ verbunden. Der positive Eingang der Eingangsschaltung ist mit Serienwiderstand R_S2 und Zener-Diode S₂ verbunden, der negative Eingang mit Zener-Diode S₁ und Serienwiderstand R_S1. Zwischen positivem und negativem Eingang liegt die Eingangsspannung U_E.

[0015] Für die Verlustleistung P an der zweiten Stromquelle ST₂ ergibt sich ein Wert von 3,1 mWatt für eine Eingangsspannung von 10 Volt und ein Wert von 39 mWatt für eine Eingangsspannung von 72 Volt. Damit liegt die Verlustleistung bei der Eingangsspannung 72 Volt um mehr als den Faktor 11 unterhalb der Verlustleistung in der Eingangsschaltung des Standes der Technik in Fig. 1. Es liegt somit eine deutlich Reduktion der Verlustleistung vor, die zu einer substantiellen Reduktion der Erwärmung der Eingangsschaltung führt.

[0016] Beim Ausführungsbeispiel enthält eine Stromquelle einen Transistor, eine Zener-Diode und einen Widerstand. Alternativ kann die Stromquelle auch einen selbstleitenden Feldeffekt-Transistor mit oder ohne Widerstand aufweisen.

Ansprüche

1. Eingangsschaltung beinhaltend eine erste Stromquelle (ST₁) und eine Baugruppe zur galvanischen Trennung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenwiderstand (R_Z) und eine zweite Stromquelle (ST₂) vorgesehen sind, und dass die Baugruppe zur galvanischen Trennung und der Zwischenwiderstand (R_Z) jeweils zwischen die beiden Stromquellen (ST₁, ST₂) geschaltet sind.

2. Eingangsschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Stromquelle (ST₁; ST₂) einen Transistor (T₁; T₂), einen Widerstand (R_S1; R_S2) und eine Zener-Diode (S₁; S₂) aufweist.

3. Eingangsschaltung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Widerstand (R_S1) und Transistor (T₁) der ersten Stromquelle (ST₁), die Baugruppe zur galvanischen Trennung und die Zener-Diode (S₂) der zweiten Stromquelle (ST₂) in Reihe geschaltet sind, dass die Zener-Diode (S₁) der ersten Stromquelle (ST₁), und der Transistor (T₂) und der Widerstand (R_S2) der zweiten Stromquelle (ST₂) in Reihe geschaltet sind, dass die Basis des Transistors (T₁) der ersten Stromquelle (ST₁) mit dem Zwischenwiderstand (R_Z), dem Transistor (T₂) der zweiten Stromquelle (ST₂) sowie der Zener-Diode (S₁) der ersten Stromquelle (ST₁) verbunden ist, und dass die Basis des Transistors (T2) der zweiten Stromquelle (ST₂) mit dem Zwischenwiderstand (R_Z), der Zener-Diode (S₂) der zweiten Stromquelle (ST₂) und der Baugruppe zur galvanischen Trennung verbunden ist.

4. Eingangsschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe zur galvanischen Trennung als Opto-Koppler (O) ausgeführt ist.

5. Eingangsschaltung beinhaltend eine erste Stromquelle (ST₁), eine Baugruppe zur galvanischen Trennung und einen Vorwiderstand, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwiderstand als zweite Stromquelle (ST₂) ausgebildet ist, die antiseriell mit der ersten Stromquelle (ST₁) verschaltet ist.

6. Parallele Ein-/Ausgabebaugruppe für die Eisenbahnsignaltechnik beinhaltend eine Eingangsschaltung nach Anspruch 1.

Zeichnung