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Vorrichtung zum Übertragen von
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Signalen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen von
Signalen für eine Digital-Schaltung als Zwischenstufen-Kopplung zwischen elektrischen
Schaltungen, die vollständig elektrisch voneinander isoliert sind, und insbesondere
eine elektrooptische Vorrichtung mit Festkörper-Halbleiter-Lichtquellen, die als
Festkörper-Koppler oder -Schalter arbeiten, wobei Ausgangslignale abhängig von Eingangssignalen
abgegeben werden.
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Es gibt e. B. bereits eine lichtgekoppelte Vorrichtung (vgl. US-PS
3 413 480), bei der eine lichtemittierende
Diode (im folgenden als
Leuchtdiode bezeichnet) optische Strahlung abhängig von einem Eingangssignal erzeugt,
um die elektrischen Eigenschaften eines Phototransistors am Ausgang zu steuern.
Abhängig vom Nichtvorliegen oder Vorliegen des Signales am Eingang wird ein Ausgangssignal
erzeugt.
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Eine derartige Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, daß die Lebensdauer
von deren Festkörper-Halbleiter-Lichtquelle, wie z. B. einer Leuchtdiode, relativ
kurz ist.
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Dies gilt insbesondere dann, wenn die Vorrichtung als integrierte
Schaltung mit mehreren photoelektrischen Bauelementen hergestellt wird.
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Es gibt auch bereits eine lichtgekoppelte Vorrichtung mit einem lichtempfindlichen
Thyristor (vgl. US-PS 3 504 131).
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Übertragen
von Signalen anzugeben, bei der zwei Schaltungen vollständig elektrisch voneinander
isoliert sind und die nicht die oben aufgezeigten Nachteile hat.
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Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zum Übertragen eines Signals
von einer Eingangsschaltung zu einer Ausgangsschaltung, die vollständig elektrisch
voneinander isoliert sind, mit einem Impulssignal-Generator zum Erzeugen eines Impulssignales
abhängig vom Signal von der Eingangsschaltung, mit einem lichtemittierenden Halbleiterbauelement
zum Erzeugen optischer Strahlung abhängig von einem anliegenden Ansteuersignal,
und mit einem lichtempfindlichen Halbleiterbauelement, das optisch mit dem lichtemittierenden
Halbleiterbauelement gekoppelt ist und ein Ausgangs signal für die
Ausgangs
schaltung abhängig von der optischen Strahlung vom lichtemittierenden Halbleiterbauelement
erzeugt, erfindungsgemäß gelöst durch eine Ansteuersignal-Einrichtung zum Einspeisen
des Impuls-Ansteuersignales in das lichtemittierende Halbleiterbauelement abhängig
vom Impulssignal vom Impulssignal-Generator.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Übertragen von Signalen
von einer Eingangsschaltung zu einer Ausgangsschaltung, die vollständig elektrisch
voneinander isoliert sind, werden eine Leuchtdiode und eine lichtempfindliche Diode
(im folgenden als Photodiode bezeichnet) so angeordnet, daß sie optisch gekoppelt
sind. Ein Eingang eines UND-Gliedes ist elektrisch mit einem Eingangsanschluß verbunden,
in den das Signal von der Eingangsschaltung eingespeist wird, und der andere Eingang
des UND-Gliedes wird mit Ansteuerimpulsen versorgt. Der Ausgang des UND-Gliedes
ist elektrisch über einen Widerstand mit der Leuchtdiode verbunden, die optische
Strahlung abhängig vom Ausgangsimpuls des UND-Gliedes erzeugt.
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Die Photodiode ist elektrisch mit der Ausgangs schaltung verbunden,
in der die Photodiode als aktives Bauelement arbeitet. Weiterhin sind in der Ausgangsschaltung
eine Potentialquelle zum Anlegen einer Vorspannung an die
Photodiode
und ein Kondensator zum Glätten des Ausgangssignales an der Photodiode vorgesehen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 Signale
an verschiedenen Teilen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zur Erläuterung
von deren Betrieb, Fig. 3 ein Schaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels der
Erfindung, Fig. 4 einen Schnitt durch die in Fig. 3 gezeigte lichtgekoppelte Schaltung,
und Fig. 5 ein Schaltbild einer Abwandlung des in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels.
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In Fig. 1 ist eine Photodiode 2 optisch mit einer Leuchtdiode 4 gekoppelt.
Die Kathode der Leuchtdiode 4 ist elektrisch an einen negativen Eingangsanschluß
6 angeschlossen, und die Anode der Leuchtdiode 4 ist mit dem Ausgang eines UND-Gliedes
8 über einen Widerstand 10 verbunden, der den durch die Leuchtdiode 4 fließenden
Strom begrenzt. Die beiden Eingänge des UND-Gliedes 8 sind elektrisch mit einem
positiven Eingangsanschluß 12 bzw. einem Impuls-Eingangsanschluß 14 verbunden. Der
negative und der positive Eingangsanschluß 6 und 12 sind mit einer (nicht dargestellten)
Eingangsschaltung verbunden, die zwischen diesen Anschlüssen das Digital-
Signal
erzeugt. Ein Ansteuerimpuis liegt am Impuls-Eingangsanschluß 14. Die Photodiode
2 ist so angeordnet, daß sie das von der Leuchtdiode 4 ausgestrahlte Licht (A )
absorbiert. Die Anode der Photodiode 2 ist elektrisch mit einem positiven Ausgangsanschluß
16 verbunden, und die Kathode der Photodiode 2 ist an einen negativen Ausgangsanschluß
18 angeschlossen. Ein Kondensator 20 liegt elektrisch parallel zur Photodiode 2,
wobei der Kondensator 20 als Glättungskondensator für den an der Photodiode 2 auftretenden
Ausgangsimpuls wirkt. Bekanntlich hat die Photodiode 2 eine Ubergangskapazität.
Wenn eine Impulsserie (Puls) mit sehr kurzer Impulsbreite und Periode als Ansteuerimpuls
verwendet wird, kann der Kondensator 20 weggelassen werden, da dann die t'bergangskapazität
auch als Glättungskondensator arbeitet. Die Ausgangsanschlüsse 16 und 18 sind mit
einer Ausgangsschaltung verbunden, in der die Photodiode 2 als aktives Bauelement
arbeitet und die eine Potentialquelle zum Anlegen einer Vorwärts- oder Durchlaß-Vorspannung
an die Photodiode 2 hat. Dies ist in Fig. 1 schematisch als Reihenschaltung eines
Lastwiderstandes 22 und einer Gleichspannungsquelle 24 dargestellt.
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Die mit den Eingangsanschlüssen 6 und 12 verbundene Eingangsschaltung
ist daher elektrisch vollständig von der Ausgangs schaltung isoliert, die mit den
Ausgangsanschlüssen 16 und 18 verbunden ist.
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Der Betrieb der oben erläuterten Vorrichtung wird im folgenden anhand
der Fig. 2 näher erläutert. In dieser Figur sind der Verlauf des Eingangssignales
a zwischen den Eingangsanschlüssen 6 und 12 und der Verlauf des Ansteuerimpulses
b am Impuls-Eingangsanschluß 14 dargestellt. Diese beiden Signalarten werden jeweils
an die entsprechenden Eingänge des UND-Gliedes 8 abgegeben, das ein Ausgangs-Impulssignal
c erzeugt. Das Ausgangs-Impulssignal c wird in die Reihenschaltung des Widerstandes
10 und der Leuchtdiode 4 gespeist, durch die in Abhängigkeit hiervon ein Strom fließt.
Die
Leuchtdiode 4 erzeugt optische Strahlung abhängig vom Impulssignal c. Die Photodiode
2, die die optische Strahlung von der Leuchtdiode 4 absorbiert, ändert ihre elektrischen
Eigenschaften, d. h., sie schaltet abhängig von der optischen Strahlung ein. Die
Reihenschaltung aus dem Lastwiderstand 22 und der Gleichspannungsquelle 24 bildet
mit der Photodiode 2 abhängig von deren eingeschaltetem Betrieb eine geschlossene
Schleife. Der abhängig vom Einschalten der Photodiode 2 durch den Lastwiderstand
22 fließende Strom wird durch den Kondensator 20 geglättet. Zwischen den Ausgangsanschlüssen
16 und 18 wird ein Ausgangssignal d erzeugt, das einen gleichen bzw. ähnlichen Verlauf
wie das Eingangssignal hat, mit diesem jedoch nicht elektrisch verbunden ist.
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Bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel wird eine Impulsreihe
mit einer Impulsbreite von 1 bis 10 /us und einer Periode von 10 bis 100 /us als
Ansteuerimpuls verwendet. Unter Berücksichtigung der Eigenschaften, wie z. B. der
Anstiegszeit der Leuchtdiode 4, ist die Impulsbreite bestimmt. Die Periode des Impulses
hängt von der Impulsbreite des Eingangssignales a ab. Auf diese Weise ist die Periode
kürzer als die Impulsbreite des Eingangssignales. Die Kapazität des Kondensators
20 wird so festgelegt, daß das an der Photodiode 2 auftretende Impulssignal ausreichend
geglättet wird, wie dies für das Ausgangssignal d in Fig. 2 dargestellt ist. Weiterhin
kann die Photodiode 2 durch einen Phototransistor ersetzt werden, und anstelle der
Leuchtdiode 4 kann ein anderes lichtemittierendes Halbleiterbauelement vorgesehen
werden, wie z. B. eine Elektrolumineszenz-Zelle oder ein Festkörper-Laser.
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In Fig. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt,
das als Optokoppler oder Schalter in zahlreichen Steueranlagen vorteilhaft ist,
z. B. als
Schaltanordnung einer Fernsprechanlage oder einer Rechneranlage.
Bei diesem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung bilden mehrere Leuchtdioden
ED1 bis EDi und mehrere Photodioden SD1 bis SDi eine Optokoppler-Schaltung 100,
die weiterhin mehrere Widerstände R1 bis Ri aufweist. Diese Leuchtdioden ED1 bis
EDi und die Photodioden SD1 bis SDi werden als integrierte Schaltung hergestellt.
Dies ist teilweise in Fig. 4 dargestellt, in der z. B. die Photodiode SD1 auf der
Leuchtdiode ED1 über ein transparentes Medium, wie z. B. Silikonharz, aufgebracht
ist. Diese transparenten Medien, über die die Photodioden SD1 bis SDi optisch jeweils
mit den Leuchtdioden ED1 bis EDi gekoppelt sind, sind schematisch in Fig. 3 durch
M1 bis Mi dargestellt. Die Photodioden SD1 bis SDi sind elektrisch jeweils mit Anschlüssen
AUSGANG1 bis AUSGANGi verbunden, d. h., jede Anode hiervon ist an den positiven
Ausgangsanschluß und jede Kathode hiervon an den negativen Ausgangsanschluß angeschlossen.
In dieser Figur ist eine Ausgangsschaltung, die mit den Anschlüssen AUSGANG1 bis
AUSGANGi verbunden ist, weggelassen, in der die Photodioden SD1 bis SDi als aktive
Bauelemente arbeiten und in der auch eine Potentialquelle zum Anlegen einer Vorwärts-
oder Durchlaß-Vorspannung an die Photodioden SD1 bis SDi vorgesehen ist. Die Kathoden
der Leuchtdioden ED1 bis EDi sind elektrisch mit dem negativen Pol einer Gleichspannungsquelle
110 verbunden, und die Anoden sind elektrisch jeweils an die Ausgänge von UND-Gliedern
G1 bis Gi einer Gatterschaltung 120 über die Widerstände R1 bis Ri angeschlossen.
Die oberen Eingänge der UND-Glieder G1 bis Gi der Gatterschaltung 120 sind elektrisch
jeweils mit Schaltern S1 bis Sl einer Schaltanordnung 130 verbunden, und die unteren
Eingänge sind an einen Impulsgenerator 140 angeschlossen. Die Schaltanordnung 130
hat mehrere elektronische oder mechanische Schalter, die jeweils abhängig von den
Digital-Eingangssignalen an den EINGANGEN
von einer (nicht dargestellten)
Eingangsschaltung geschlossen sind. Die Schaltanordnung 130 kann aus Logik-Gliedern,
wie z. B. UND-Gliedern, usw. aufgebaut sein.
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Im folgenden wird der Betrieb dieses Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Wenn die Digital-Eingangssignale an den EINGANGEN von der Eingangsschaltung zur
Schaltanordnung 130 gespeist werden, sind die Schalter entsprechend den Digital-Eingangssignalen
geschlossen. Die oberen Eingänge der entsprechenden UND-Glieder werden mit der Gleichspannung
von der Spannungsquelle 110 beaufschlagt, und die entsprechenden UND-Glieder werden
geöffnet. Der Ansteuerimpuls vom Impulsgenerator 140 verläuft durch die entsprechenden
UND-Glieder und wird über die Widerstände R1 bis Ri an die entsprechenden Leuchtdioden
abgegeben.
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Wenn z. B. der Schalter S1 geschlossen und das UND-Glied geöffnet
ist, wird der Ansteuerimpuls über das UND-Glied G1 und den Widerstand R1 an die
Leuchtdiode ED1 abgegeben.
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Die optischen Strahlungen von den Leuchtdioden ED1 bis EDi werden
über die transparenten Medien M1 bis Mi jeweils zu den Photodioden SD1 bis SDi geleitet.
Die entsprechenden Photodioden schalten abhängig von der optischen Strahlung von
den Leuchtdioden ein, die erregt sind. Daher werden die Digital-Eingangssignale
von der Eingangsschaltung zur Ausgangsschaltung übertragen, wobei die Eingangsschaltung
und die Ausgangs schaltung vollständig elektrisch voneinander isoliert sind.
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In Fig. 5 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der Fig. 3
dargestellt, wobei einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen
sind. Bei diesem abgewandelten Ausführungsbeispiel sind anstelle der Photodioden
SD1 bis SDi Photothyristoren SY1 bis SYi vor gesehen, und die Gatterschaltung 120
ist durch einen Schalttransistor 125 ersetzt. Die Photothyristoren SY1 bis SYi sind
auf gleiche Weise wie die Photodioden SD1 bis SDi der Fig. 3 in
einer
integrierten Schaltung angeordnet und schalten abhängig von der durch die Leuchtdioden
ED1 bis ED erzeugten optischen Strahlung ein. Die Kathoden der Leuchtdioden ED1
bis ED sind mit dem Emitter des Schalttransistors 125 verbunden, dessen Kollektor
an den negativen Pol der Gleichspannungsquelle 110 angeschlossen ist. Der Ansteuerimpuls
wird an die Basis des Schalttransistors 125 abgegeben. Die Anoden der Leuchtdioden
ED1 bis EDi sind jeweils mit den entsprechenden Schaltern bis Si der Schaltanordnung
130 über die Widerstände R1 bis Ri verbunden.
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Photothyristoren haben gewöhnlich eine höhere Empfindlichkeit als
Photodioden oder Phototransistoren. Daher kann ein Optokoppler mit höherer Empfindlichkeit
erhalten werden, wenn Photothyristoren verwendet werden. Weiterhin kann bei diesem
Ausftihrungsbeispiel ein zuverlässigeres Zünden der Photothyristoren erzielt werden,
indem die Stärke der optischen Strahlung der Leuchtdioden erhöht wird, die durch
die Stärke des durch sie fließenden Stromes steuerbar ist. In diesem Fall sind die
Widerstände R1 bis Ri der Optokoppler-Schaltung 100 vorzugsweise auf den unteren
Widerstandswert eingestellt.
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Bei den oben erläuterten Ausführungsbeispielen ist die Lebensdauer
der Leuchtdioden länger, da das Impulssignal, das weniger elektrische Energie als
der Gleichstrom hat, als Ansteuerimpuls verwendet wird.