DE10213504B4

DE10213504B4 - Filter for two-wire bus

Info

Publication number: DE10213504B4
Application number: DE2002113504
Authority: DE
Inventors: Jean-Yves Boulanger
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2001-04-05
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: FR2823390A1; FR2823390B1; DE10213504A1

Abstract

Vorrichtung zum Filtern von elektromagnetischen Störungen für einen zweidrähtigen Feldbus, insbesondere für einen Bus, speziell der Art AS-i, mit zwei Leitungen (11, 12), an die sich Teilnehmer, wie Sensoren und Aktuatoren, anschließen können, die untereinander ein erdfreies Dauerpotential definieren und die Spannungsschwankungen erfahren, die pulscodierten Signalen entsprechen, die von den Teilnehmern gesendet oder empfangen werden, wobei die Vorrichtung ein Gleichtaktfilter, das die beiden Busleitungen (11, 12) erdet, umfasst, wobei das Gleichtaktfilter (20) in einem Folgerteilnehmer (14S) eingebaut ist und zwei parallele Zweige aufweist, die an den beiden Busleitungen (11, 12) anliegen und symmetrisch und für jede Leitung mit einem mit einer Kapazität (C1, C2) in Reihe geschalteten, bidirektionalen Begrenzerelement (21, 22) ausgestattet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzerelemente (21, 22) einen Schwellwert von weniger als 18 Volt und eine Kapazität von weniger als 10 pF aufweisen, während die seriellen Kapazitäten einen Wert von mehr als 2 pF aufweisen, und ein externes Netzgerät (16) zu dem Folgerteilnehmer (14S) gehört und zwischen der Erde und einem Verknüpfungspunkt der beiden Zweige (21, C1; 22, C2) des in den Folgerteilnehmer eingebauten Gleichtaktfilters (20) verbunden ist, wobei eine Hochspannungskapazität (C4) zwischen dem Verknüpfungspunkt der Zweige und der Erde eingefügt ist.Device for filtering electromagnetic interference for a two-wire field bus, in particular for a bus, especially of the AS-i type, with two lines (11, 12) to which subscribers such as sensors and actuators can connect, which have a floating permanent potential define and experience the voltage fluctuations corresponding to pulse-coded signals sent or received by the participants, the device comprising a common-mode filter that grounds the two bus lines (11, 12), the common-mode filter (20) in a slave (14S ) is installed and has two parallel branches which are connected to the two bus lines (11, 12) and symmetrically and for each line are equipped with a bi-directional limiter element (21, 22) connected in series with a capacitance (C1, C2), characterized in that the limiter elements (21, 22) have a threshold value of less than 18 volts and a capacitance of less than 10 pF have, while the serial capacitances have a value of more than 2 pF, and an external power supply (16) belongs to the slave device (14S) and is between the earth and a junction point of the two branches (21, C1; 22, C2) of the common-mode filter (20) built into the slave device, a high-voltage capacitance (C4) being inserted between the junction of the branches and the earth.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Filtern elektromagnetischer Störungen für einen zweidrähtigen Feldbus, insbesondere für einen Bus, speziell der Art AS-i, mit zwei Leitungen, an die sich Teilnehmer, wie Sensoren und Aktuatoren, anschließen können, die untereinander ein erdfreies Dauerpotential definieren und die Spannungsschwankungen erfahren, die pulscodierten Signalen entsprechen, die von den Teilnehmern gesendet oder empfangen werden, wobei die Vorrichtung ein Gleichtaktfilter, das die beiden Busleitungen erdet, und/oder ein Differenzfilter, das zwischen den beiden Busleitungen angeordnet ist, umfasst.The present invention relates to a device for filtering electromagnetic interference for a two-wire fieldbus, in particular for a bus, especially of the type AS-i, with two lines to which participants, such as sensors and actuators, can connect, which define an earth-free continuous potential with each other and experiencing the voltage fluctuations corresponding to pulse coded signals transmitted or received by the subscribers, the apparatus comprising a common mode filter grounding the two bus lines and / or a differential filter disposed between the two bus lines.

Die Störungen elektromagnetischen Ursprungs können den Signalaustausch stören, der auf einem derartigen zweidrähtigen Feldbus erfolgt. Deshalb müssen die Spannungsschwankungen, die durch die elektromagnetischen Störungen herbeigeführt werden, gefiltert werden, um die Kommunikation zuverlässig zu machen.The interference of electromagnetic origin can interfere with the signal exchange that takes place on such a two-wire fieldbus. Therefore, the voltage fluctuations caused by the electromagnetic noise must be filtered to make the communication reliable.

Derzeit besitzen die Teilnehmer, Leiter oder Folger, eines Busses der Art AS-i Begrenzerelemente, wie sogenannte Transil- oder Zenerdioden. Diese Begrenzerelemente, deren Aufgabe es ist, die elektronischen Bestandteile vor durch Störungen hervorgerufene Stoßspannungen zu schützen, haben eine schwache Kapazität und eine starke Impedanz bei der Betriebsfrequenz des Busses. Es ist zu beachten, dass die Spannungsschwelle der derzeitigen Begrenzer nicht unterhalb der Versorgungsgleichspannung liegen kann. Dies führt dazu, dass schnelle Spannungsschwankungen, deren Amplitude der Versorgungsspannung entspricht, am Eingang des Teilnehmers angelegt bleiben, wenn man eine gebräuchliche Filtervorrichtung verwendet.At present, subscribers, conductors or followers, of a bus of the type AS-i have limiter elements, such as so-called transilluminators or zener diodes. These limiter elements, whose purpose is to protect the electronic components from surge voltages caused by noise, have a low capacitance and a high impedance at the operating frequency of the bus. It should be noted that the voltage threshold of the current limiters can not be below the DC supply voltage. As a result, rapid voltage fluctuations, the amplitude of which corresponds to the supply voltage, remain applied to the input of the subscriber when using a common filter device.

Eine Filtervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 42 00 491 A1 bekannt. In der US 4,586,104 ist ein Überspannungsschutz mit einem Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten beschrieben. Die DE 198 56 283 A1 offenbart eine Filtervorrichtung zur symmetrischen Dämpfung von Resonanzschwingungen.A filter device according to the preamble of claim 1 is known from DE 42 00 491 A1 known. In the US 4,586,104 An overvoltage protection is described with a resistor with a positive temperature coefficient. The DE 198 56 283 A1 discloses a filter device for symmetrical damping of resonant vibrations.

Andererseits und im Allgemeinen haben Netzgeräte eine starke Kapazität zwischen ihren Plus- und Minuspolen. Bei einem Netzgerät für einen zweidrähtigen AS-i-Bus weist das Netzgerät eine Filtervorrichtung auf, die mit zwei zusätzlichen Kapazitäten zwischen den Plus- und Minuspolen und der Erdung versehen ist, damit die elektromagnetischen Gleichtaktstörungen symmetrisch zur Erdung hin abgeführt werden können. Die Qualität dieses Filterns ist jedoch durch die Reihenschaltung zweier Widerstände sowie dadurch, dass für einen bestimmten Teilnehmer die Impedanzen der Leitungsinduktivitäten auch berücksichtigt werden müssen, beschränkt.On the other hand and in general, power supplies have a strong capacity between their plus and minus poles. In a power supply unit for a two-wire AS-i bus, the power supply unit has a filter device with two additional capacitances between the positive and negative poles and the ground, so that the electromagnetic common mode noise can be dissipated symmetrically to the ground. However, the quality of this filtering is limited by the series connection of two resistors and in that the impedances of the line inductances must also be taken into account for a particular subscriber.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Rauschen oder die elektromagnetischen Störungen an den Teilnehmern eines zweidrähtigen Busses, insbesondere von der Art AS-i, zuverlässig und ohne die Pulssignale, die auf dem Bus laufen, abzuschwächen, zu filtern.The object of the invention is to attenuate the noise or the electromagnetic interference at the participants of a two-wire bus, in particular of the type AS-i, reliable and without the pulse signals that run on the bus to filter.

Erfindungsgemäß ist das Filter in einem Folgerteilnehmer eingebaut und weist einen Zweig auf, der mit einer Busleitung verbunden ist und mit einem bidirektionalen, mit einer Kapazität in Reihe geschalteten Begrenzerelement ausgestattet ist, und das Begrenzerelement hat einen Schwellwert von weniger als ungefähr 18 Volt und eine Kapazität von weniger als ungefähr 10 pF, während die serielle Kapazität einen Wert von mehr als ungefähr 2 pF aufweist.According to the invention, the filter is installed in a follower and has a branch connected to a bus line and provided with a bidirectional limiter element connected in series with a capacitance, and the limiter element has a threshold of less than about 18 volts and a capacitance less than about 10 pF while the serial capacitance has a value greater than about 2 pF.

Das Filter ist ein Gleichtaktfilter mit zwei parallelen Zweigen, die an den beiden Busleitungen 11, 12 anliegen und symmetrisch für jede Leitung mit einem bidirektionalen, mit einer Kapazität C1, C2 in Reihe geschalteten Begrenzerelement 21, 22 ausgestattet sind.The filter is a common mode filter with two parallel branches connected to the two bus lines 11 . 12 abut and symmetrical for each line with a bidirectional, connected in series with a capacitor C1, C2 limiter 21 . 22 are equipped.

Erfindungsgemäß ist ein externes Netzgerät zwischen der Erde und einem Verknüpfungspunkt der Kapazitäten der beiden Zweige des Gleichtaktfilters verbunden, wobei eine Hochspannungskapazität zwischen dem Verknüpfungspunkt der Zweige und der Erde eingefügt ist, um die elektromagnetischen Störungen zu dem externen Netzgerät hin abzuführen.According to the invention, an external power supply is connected between the ground and a node of the capacitances of the two branches of the common mode filter, with a high voltage capacitance inserted between the node of the node and the ground to dissipate the electromagnetic interference to the external power supply.

Ein Differenzfilter kann vorteilhafterweise zwischen den beiden Busleitungen angeordnet sein, wobei dieses Filter auch ein bidirektionales Begrenzerelement umfasst, das entweder passiv und dem soeben für das Gleichtaktfilter beschriebenen ähnlich ist oder ein Filter mit nicht linearen Elementen ist, die aktiv sind und sich auf das Potential einer der Busleitungen beziehen, mit einem Schwellwert von weniger als ungefähr 18 Volt und mit einer Kapazität, deren Wert mehr als 2 pF beträgt, in Reihe geschaltet.A differential filter may advantageously be arranged between the two bus lines, this filter also comprising a bidirectional limiter element which is either passive and just described for the common mode filter or is a filter with non-linear elements which are active and at the potential of one of the bus lines connected in series with a threshold of less than about 18 volts and with a capacitance greater than 2 pF.

Nachstehend soll die Beschreibung einer nicht einschränkenden Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erfolgen.The following is a description of a non-limiting embodiment with reference to the accompanying drawings.

1 stellt einen zweidrähtigen Bus dar, der mit einem erfindungsgemäßen Gleichtaktfilter ausgestattet ist. 1 represents a two-wire bus, which is equipped with a common mode filter according to the invention.

2 stellt eine Ausführungsvariante des Gleichtaktfilters dar. 2 represents a variant of the common mode filter.

3 stellt schematisch ein erfindungsgemäßes Beispiel eines Differenzfilters mit aktivem Begrenzer dar. 3 schematically illustrates an inventive example of a differential filter with active limiter.

4 zeigt ausführlicher ein Ausführungsbeispiel des Differenzfilters von 3. 4 shows in more detail an embodiment of the difference filter of 3 ,

Der in 1 dargestellte Bus ist ein zweidrähtiger Feldbus der Art AS-i (Actuator Sensor Interface) zum Anlegen von Sensoren und Aktuatoren eines automatischen elektrischen Systems. Der Bus 10 weist zwei Leitungen 11, 12 auf, wovon die erste 1 (oder AS-i+) auf ein im Verhältnis zu der zweiten 2 (oder As-i–) positives Potential gebracht ist, wobei der Potentialunterschied zwischen den beiden Leitungen durch eine Gleichspannungs-Versorgungsquelle 13 bei etwa 30 V gehalten wird. Der Bus stellt die elektrische Versorgung der Teilnehmer 14 sicher, die an zwei Leitungen 11, 12 anliegen, und stellt auch die Signalführung zwischen den Teilnehmern 14 sicher, insbesondere zwischen einem Leiterteilnehmer 14M und Folgerteilnehmern 14S.The in 1 Bus shown is a two-wire fieldbus type AS-i (Actuator Sensor Interface) for applying sensors and actuators of an automatic electrical system. The bus 10 has two lines 11 . 12 of which the first 1 (or AS-i +) is brought to a positive potential relative to the second 2 (or As-i), the potential difference between the two lines being through a DC power source 13 is kept at about 30V. The bus provides the electrical supply of the participants 14 sure, on two wires 11 . 12 and also provides the signal routing between the subscribers 14 safe, especially between a leader 14M and followers 14S ,

Wie bekannt sendet der Leiterteilnehmer zyklisch adressierte Nachrichten an verschiedene Folgerteilnehmer ab, und diese antworten je nach ihrem Zustand mit einer Nachricht. Die Signale sind als Stromschwankungen codiert, die von den zu der Quelle 13 gehörigen Impedanzen L1, R1; L2, R2 – wobei jede Impedanz eine Induktivität parallel zu einem Widerstand umfasst – in Spannungsschwankungen übersetzt werden. Die Leitungen 11, 12 liegen an der Erde in der Quelle oder in deren Nähe an, und zwar über identische Kapazitäten C13-1 und C13-2 mit einem Wert von mehr als 100 nF, was eine gute Störfestigkeit gegen symmetrische Störungen erbringt.As known, the ladder subscriber sends cyclically addressed messages to various followers, and they respond with a message depending on their status. The signals are encoded as current fluctuations from the source to the source 13 associated impedances L1, R1; L2, R2 - each impedance comprising an inductance in parallel with a resistor - are translated into voltage variations. The wires 11 . 12 are grounded at or near the source, with identical capacitances C13-1 and C13-2 of greater than 100 nF, which provides good immunity to symmetric interference.

Um den Bus insbesondere für elektromagnetische Störungen unempfindlich zu machen, verknüpft man mit den Leitungen ein Gleichtaktfilter 20 (zwischen diesen Leitungen und der Erde) und/oder ein Differenzfilter 30 (zwischen diesen Leitungen). Diese Filter sind bevorzugt in den Folgerteilnehmern 14S eingebaut, insbesondere wenn diese einen Massenanschluss einer Maschine oder eine Verbindung zu einem externen Dauerpotential besitzen, und dienen dazu, die codierten Spannungssignale von oder zu der Busschnittstelle 15 des Teilnehmers durchzulassen und den Übergang der durch die Störungen hervorgerufenen Spannungsspitzen zu untersagen.In order to make the bus insensitive to electromagnetic interference in particular, a common-mode filter is connected to the lines 20 (between these lines and the earth) and / or a differential filter 30 (between these lines). These filters are preferred in the followers 14S in particular if they have a ground connection of a machine or a connection to an external permanent potential, and serve the coded voltage signals from or to the bus interface 15 pass and prohibit the passage of the voltage spikes caused by the interference.

Das Gleichtaktfilter 20 umfasst zwei bidirektionale Begrenzerelemente 21, 22, welche die jeweiligen Leitungen 11, 12 mit einem Festpotential verbinden, das im vorliegenden Fall die Erde ist. Die Begrenzerelemente 21, 22 sind identisch und symmetrisch und umfassen zum Beispiel jeweils zwei entgegengesetzt liegende Zenerdioden Z1a, Z2b und Z2a, Z2b und weisen einen Schwellwert von weniger als ungefähr 18 Volt auf, bevorzugt in der Größenordnung von ungefähr 6 bis 7 Volt. Die Begrenzerelemente können andere übliche elektronische Elemente sein, die ab einer bestimmten Spannungsschwelle durchlässig werden.The common mode filter 20 includes two bidirectional limiter elements 21 . 22 which the respective lines 11 . 12 connect to a fixed potential, which in the present case is the earth. The limiter elements 21 . 22 are identical and symmetrical, for example, each comprising two opposing zener diodes Z1a, Z2b and Z2a, Z2b and having a threshold of less than about 18 volts, preferably on the order of about 6 to 7 volts. The limiter elements may be other common electronic elements that become permeable at a certain voltage threshold.

Jedes Begrenzerelement ist mit einer Kapazität C1, C2 in Reihe geschaltet, wobei diese Kapazitäten denselben Wert von mehr als ungefähr 2 pF, z. B. 6,8 nF, aufweisen. Bevorzugt. haben die Begrenzerelemente eine schwache Kapazität von weniger als 20 pF, um die codierten Spannungssignale nicht abzuschwächen. In Gegenwart von schnellen Transienten leitet das Filter somit durch seine Begrenzerelemente während einer Dauer, die höchstens 3 μs entspricht, während die Periode der AS-i-Signale, die von dem Bus geführt werden, 6 μs entspricht, so dass diese Signale fast nicht abgeschwächt werden.Each limiter element is connected in series with a capacitance C1, C2, these capacitances having the same value greater than about 2 pF, e.g. B. 6.8 nF, have. Prefers. the limiter elements have a weak capacitance of less than 20 pF in order not to attenuate the encoded voltage signals. Thus, in the presence of fast transients, the filter passes through its limiter elements for a duration of at most 3 μs, while the period of the AS-i signals carried by the bus is 6 μs, so that these signals are almost not attenuated become.

Die in 2 abgebildete Variante ist für den Fall gedacht, bei dem man mit einem Folgerteilnehmer 14S eine externe Versorgungsquelle 16 verknüpft. Man verwendet eine derartige externe Versorgungsquelle, wenn man mit dem Teilnehmer isolierte Busein- und ausgänge verknüpfen möchte. Bei bestimmten Anwendungen ist es nämlich unbedingt notwendig, isolierte Busausgänge zu haben, um dem Teilnehmer starke Ausgangsströme liefern zu können.In the 2 shown variant is intended for the case in which one with a follower participant 14S an external supply source 16 connected. One uses such an external supply source when one wishes to link isolated bus inputs and outputs with the subscriber. For certain applications, it is essential to have isolated bus outputs in order to provide the user with strong output currents.

Bei der Ausführungsform von 2 wird eine Hochspannungskapazität C4 zwischen dem Verknüpfungspunkt der Kapazitäten C1, C2, gegenüber den Begrenzerelementen 21, 22 und der externen Versorgungsquelle 16 hinzugefügt, was ein dem Potential AS-i gegenüber erdfreies Dauerpotential V2 erzeugt. Die Kapazität C4 ist eine ”Hochspannungs-”Kapazität, d. h. sie hat einen Wert, um die Isolierung zwischen dem AS-i-Netzgerät 13 und dem externen Netzgerät 16 sicherzustellen. Sollte der Folgerteilnehmer keinen Zugang zur Erde haben, ist es somit sehr vorteilhaft, die elektromagnetischen Störungen mittels der beschriebenen Filtervorrichtung zu dem externen Netzgerät 16 hin abführen zu können.In the embodiment of 2 becomes a high voltage capacitance C4 between the node of the capacitances C1, C2, opposite to the limiter elements 21 . 22 and the external supply source 16 added, which generates an earth-free continuous potential V2 to the potential AS-i. The capacitance C4 is a "high voltage" capacity, ie it has a value to the insulation between the AS-i power supply 13 and the external power supply 16 sure. If the follower participant does not have access to the ground, it is thus very advantageous to transfer the electromagnetic interference by means of the described filter device to the external power supply unit 16 to be able to dissipate.

Das Differenzfilter 30 kann aus einem bidirektionalen Begrenzerelement bestehen, das denen ähnelt, die als mit einem Schwellwert von weniger als 18 Volt beschrieben wurden, z. B. mit einer 100-nF-Kapazität in Reihe geschaltet. Wie in 3 angegeben, kann es vorteilhafterweise in Reihe zwischen den Leitungen 11, 12 geschaltet eine Kapazität C3 in einer Größenordnung von ungefähr 100 nF und ein Begrenzerelement 23 mit einem Schwellwert von weniger als 18 Volt umfassen, das nicht lineare, aktive Elemente umfasst und durch einen Bezugsleiter 31 an eine der Busleitungen, z. B. die Leitung 11, angelegt ist.The difference filter 30 may consist of a bidirectional limiter element similar to those described as having a threshold of less than 18 volts, e.g. B. connected in series with a 100 nF capacity. As in 3 indicated, it may advantageously in series between the lines 11 . 12 connected a capacitance C3 in the order of about 100 nF and a limiter 23 with a threshold of less than 18 volts, comprising nonlinear active elements and a reference conductor 31 to one of the bus lines, z. B. the line 11 , is created.

In 4 ist eine Ausführungsform des aktiven Begrenzerelements 23 der 3 dargestellt. Dieses Element umfasst zwei Transistoren T1, T2, bevorzugt bipolare Schnelltransistoren der umgekehrten Art, deren Basen an der Busleitung 11 über die Verbindung 31 anliegen, die mit einer Kapazität C5, deren Wert z. B. einige pF beträgt, und einem Widerstand R5 ausgestattet ist, wobei sie im Mittelpunkt von R5, C5 verbunden sind. Die Transistoren T1, T2 sind durch die jeweiligen Dioden D1, D2 geschützt. Ein passives Begrenzerelement, z. B. mit zwei entgegengesetzt liegenden Zenerdioden Z3a, Z3b ist zu dem aktiven Begrenzerelement 23 parallelgeschaltet, um zum Einhalten der Spannung der Vorrichtung, insbesondere beim Einschalten, beizutragen.In 4 is an embodiment of the active limiter element 23 of the 3 shown. This element comprises two transistors T1, T2, preferably bipolar fast transistors of the reverse type, their bases on the bus line 11 about the connection 31 lie with a capacity C5 whose value z. A few pF, and a resistor R5, being connected at the center of R5, C5. The transistors T1, T2 are protected by the respective diodes D1, D2. A passive limiter element, e.g. B. with two opposing Zener diodes Z3a, Z3b is to the active limiter 23 connected in parallel to help maintain the voltage of the device, in particular when switching on.

Claims

Device for filtering electromagnetic interference for a two-wire fieldbus, in particular for a bus, especially of the type AS-i, with two lines ( 11 . 12 ), to which subscribers, such as sensors and actuators, may connect, defining mutually an ungrounded steady state potential and experiencing voltage fluctuations corresponding to pulse coded signals transmitted or received by the subscribers, the device being a common mode filter comprising the two bus lines ( 11 . 12 ), wherein the common mode filter ( 20 ) in a follow-up participant ( 14S ) is installed and has two parallel branches, which on the two bus lines ( 11 . 12 ) and symmetrical and for each line with a with a capacitance (C1, C2) connected in series, bidirectional limiting element ( 21 . 22 ), characterized in that the limiter elements ( 21 . 22 ) have a threshold of less than 18 volts and a capacitance of less than 10 pF, while the serial capacitances have a value greater than 2 pF, and an external power supply ( 16 ) to the follower participant ( 14S ) and between the earth and a connecting point of the two branches ( 21 , C1; 22 , C2) of the common-mode filter built into the follower subscriber ( 20 ), wherein a high voltage capacitance (C4) is inserted between the node of the node and the ground.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the high-voltage capacitance (C4) consists of parallel and compared to printed circuits conductor lugs.

Apparatus according to claim 1, wherein the apparatus comprises a differential filter ( 30 ) provided by a bidirectional limiter element ( 23 ) having a threshold of less than 18 volts connected in series with a capacitance (C3) greater than 2 pF.

Apparatus according to claim 1, wherein the apparatus comprises a differential filter ( 30 ) provided by an active bidirectional limiter element ( 23 ), which is equipped with transistors (T1, T2), the control electrodes on one of the bus lines ( 11 . 12 ) abut on an RC element is marked.

Apparatus according to claim 4, characterized in that parallel to the active bidirectional limiter element ( 23 ) with fast transistors (T1, T2) a passive bidirectional limiter element (Z3a, Z3b) is connected.