CN105264662B - 信号输出级的保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在电连接端(2、3、4)错误接触的情况下用于保护输出级(5)的保护电路，其中输出级(5)包括驱动器单元并包含模拟或数字信号输出端(4)。根据本发明，为了用简单而经济的方法在错误连接时保护输出级，该保护电路包括串联连接在输出级(5)和信号输出端(4)之间的第一晶体管电路(T1)，和串联连接在负电源连接端(3)和信号输出端(4)之间的第二晶体管电路(T2)。第二晶体管电路(T2)连接到第一晶体管电路(T1)的基极，以便采用以下这样的方式影响第一晶体管电路(T1)：第一晶体管电路(T1)在故障的情况下变成高阻抗。
Description
技术领域
本发明涉及一种在电连接端错误接触的情况下用于保护输出级的保护电路，其中该输出级包括驱动电路和模拟或数字信号输出端。
背景技术
在自动化与过程工程中，经常使用传感器或测量设备，其将检测的测量值—例如压力、温度、流速以及位置和振动—转换为采用模拟电流或电压信号形式的代表该测量值的输出信号，并在它们的电缆端口或插头连接端提供该信号，用于进一步的处理，例如PLC。为了实现能评估这些信号，需要事先放大这些信号，这通常发生在驱动器级，该驱动器级布置为传感器壳体中电路板上的单独或组合的芯片。这样的芯片例如是亚德诺半导体技术有限公司(Analog Devices,Inc.)的设备AD5410。
然而，这些输出级在不正确连接的情况下可能容易损毁。必须集成在驱动器输出端的ESD保护二极管起旨在针对电压瞬变的，通过从传感器引出即使在正常处理期间可能使驱动器输出端遭受上述电压瞬变。然而，如果负电压电源连接端(＝接地)连接到正电源电压(UB+)以及输出端子连接到负电源电压(UB-)，则短路电流流过连接在接地和驱动器输出端之间的ESD保护二极管。此外，如果未连接负电源连接端，具有高操作电流消耗的测量设备可能被损毁，因为设备的全部操作电流流过ESD保护二极管，并通过这样看似正确的功能模仿正确的连接，直到ESD保护二极管由于过载而损毁。
一种可能的解决方案设想将足够强大的保护二极管并联连接在与地相对的模拟输出端，并在输出级和实际的信号输出端之间提供电阻器，所述电阻器在短路的情况下限制电流。为此目的，该电阻器不应当为特别高阻抗，以例如在正常操作时不会增加过多由此引起的电压降，但是，该电阻器必须具有一定的性能等级，以便承受由短路电流产生的热量。然而，这样的设备是大且昂贵的，因此它们的安装是困难且不经济的。
发明内容
本发明的目的是采用简单且成本有效的方法针对错误连接来保护输出级。
该目的根据本发明通过权利要求1的特征来实现。有利的实施例在从属权利要求中指定。
如前文所述，集成在芯片上的ESD保护二极管不够健壮，无法在没有损伤或破坏的情况下承受提及的故障情况。因此，本发明的要点是补充驱动器级，使得在电连接端错误接触的情况下保护输出级。
为此目的，根据本发明的提供用于在电连接端错误接触的情况下保护输出级(包括驱动器单元和模拟或数字信号输出端)的电路包括串联连接在输出级和信号输出端之间第一晶体管电路，和串联连接在接地和信号输出端之间的第二晶体管电路。在这里，第二晶体管电路连接到第一晶体管电路的基极，以便影响第一晶体管电路，使得第一晶体管电路在故障的情况下变成高阻抗。
增加的晶体管电路因此提供了扩展，其两者可以集成在芯片上，也可以布置在芯片外。
通常，第一晶体管电路是低阻抗的，使得跨越它几乎不发生电压降。然而，在电连接端错误接触的情况下，第二晶体管电路影响第一晶体管电路，使其变成高阻抗，且因此提供了中断电流的电阻器并从而针对由短路电流引起的损毁来保护驱动器级。
在本发明的一个优选的实施例中，提出了第二晶体管电路被反向操作，使得第二晶体管电路的发射极连接到第一晶体管电路的基极。这样的好处是，意外施加的外部电压电平不会导致在信号输出端的第二晶体管电路中的晶体管基极—发射极路径被击穿。
根据本发明的另一个优选的实施例，提供了信号输出端实现为具有0到10V的电压输出端或具有4到20mA的电流输出端。然而，在电压输出端的情况下，到驱动器单元的高阻抗反馈线路是必要的。
附图说明
以下基于示例性的实施例连同附图来更详细地描述本发明。附图中：
图1是根据本发明的第一个实施例的包括保护电路的传感器电路；及
图2是根据本发明的第二个实施例的包括保护电路的传感器电路。
具体实施方式
图1示出了包括传感器元件11的传感器电路，传感器元件11包括集成放大器单元、A/D转换器12、用于信号调节的数字信号处理器13和驱动器单元5，驱动器单元5经由数字协议由数字信号处理器13寻址，并包括集成的D/A转换器。在正电源连接端2，除了提供用于电压反转情况的两个保护二极管，还提供电压或线性调节器10。传感器元件11优选地配置为振动传感器，但也可以实现成检测其他可能的测量值，例如压力、温度、流速或流量，或配置为基于电感、电容或光学的距离传感器。
根据本发明，传感器电路通过保护电路1扩展在驱动器级5的输出端，保护电路1布置在驱动器级5和模拟信号输出端4之间。驱动器级优配置为来自亚德诺半导体技术有限公司(Analog Devices,Inc.)的AD5410芯片。通过反向操作第二晶体管电路T2，实现的好处是外部意外施加的电压电平不会导致在信号输出端4的第二晶体管电路T2中的晶体管基极—发射极路径被击穿。
集成在驱动器级5的芯片中保护二极管5a起仅针对电压瞬变的作用，由于静电放电通过从传感器引出即使在正常处理期间可能使模拟输出端4遭受上述电压瞬变。然而，如果将负电压电源连接端3连接到正电源电压(UB+)以及输出端子4连接到负电源电压(UB-)，则短路电流流过在正向方向上连接在接地和模拟输出端4之间的ESD保护二极管5a。此外，如果未连接负电源连接端3，具有高操作电流消耗的测量设备的损毁可能发生，因为设备的全部操作电流流过ESD保护二极管5a，并通过这样看似正确的功能模仿了正确的连接，直到ESD保护二极管5a由于过载而损毁。
在这些情况下，第二晶体管电路T2影响第一晶体管电路T1使其变成高阻抗，而在正常环境下第一晶体管电路T1为低阻抗。这样，短路电路被中断，驱动器级5得到了保护。
图2示出了根据本发明的保护电路的第二个实施例。关于图2的实施例的区别点在于，第二晶体管电路T2是以正常操作的方式连接的，即非反向的。具有反向晶体管T2的实施例只能操作达到大约7V，其具有20mA的电流输出端对应于350欧姆的负载。如果二极管串联连接到晶体管T2的基极，它可以正常操作且实现高于7V的电压，因此，更高的负载是可能的。然而，包括反向晶体管T2的实施例的优点在于，在电压反转的情况下该电路比在正常操作中具有晶体管T2更敏感地响应。
Claims (10)
1.在电连接端(2、3、4)错误接触的情况下用于输出级(5)的保护电路，其中所述输出级(5)包括驱动器单元、正电源连接端(2)、负电源连接端(3)并包含模拟或数字信号输出端(4)，其中所述错误接触的情况包括将所述负电压电源连接端(3)连接到正电源电压以及模拟或数字信号输出端(4)连接到负电源电压；
所述保护电路包括第一晶体管电路(T1)，其中，所述第一晶体管电路(1)的集电极连接到所述输出级(5)并且发射极连接到所述信号输出端(4)，其中，第一电阻器连接在所述第一晶体管电路(T1)的所述集电极和所述第一晶体管电路(T1)的基极之间，所述基极连接到第二晶体管电路(T2)；
其中，所述第二晶体管电路(T2)的基极通过第二电阻连接到所述负电源连接端(3)，其中所述第二晶体管电路(T2)可反向操作或正常操作，使得在所述反向操作中所述第二晶体管电路(T2)的集电极，或在所述正常操作中所述第二晶体管电路(T2)的发射极连接到所述信号输出端(4)，其中，在反向操作中，所述第二晶体管电路(T2)的发射极连接到所述第一晶体管电路(T1)的基极，在正常操作中，所述第二晶体管电路(T2)的集电极连接到所述第一晶体管电路(T1)的基极以便采用以下这样的方式影响所述第一晶体管电路(T1)：所述第一晶体管电路(T1)在故障的情况下变成高阻抗。
2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述信号输出端(4)配置为具有0到10V的电压输出端。
3.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述信号输出端(4)配置为具有4到20mA的电流输出端。
4.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述信号输出端(4)配置为二进制接口。
5.根据权利要求4所述的保护电路，其特征在于，所述信号输出端(4)配置为RS232或RS485接口。
6.在电连接端(2、3、4)错误接触的情况下用于输出级(5)的保护电路，其中所述输出级(5)包括驱动器单元、正电源连接端(2)、负电源连接端(3)并包含模拟或数字信号输出端(4)，其中所述错误接触的情况包括未连接负电源连接端(3)；
所述保护电路包括串联连接在所述输出级(5)的所述驱动器单元的输出端和所述信号输出端(4)之间第一晶体管电路(T1)，其中所述第一晶体管电路(1)的集电极连接到所述输出级(5)，并且发射极连接到所述信号输出端(4)，其中，第一电阻器连接在所述第一晶体管电路(T1)的所述集电极和所述第一晶体管电路(T1)的基极之间，所述基极连接到第二晶体管电路(T2)；
所述第二晶体管电路(T2)串联连接在所述负电源连接端(3)和所述信号输出端(4)之间，其中，所述第二晶体管电路(T2)的基极通过第二电阻连接到所述负电源连接端(3)，其中所述第二晶体管电路(T2)可反向操作或正常操作，使得在所述反向操作中所述第二晶体管电路(T2)的集电极，或在所述正常操作中所述第二晶体管电路(T2)的发射极连接到所述信号输出端(4)；
其中，在反向操作中，所述第二晶体管电路(T2)的发射极连接到所述第一晶体管电路(T1)的基极，在正常操作中，所述第二晶体管电路(T2)的集电极连接到所述第一晶体管电路(T1)的基极以便采用以下这样的方式影响所述第一晶体管电路(T1)：所述第一晶体管电路(T1)在故障的情况下变成高阻抗。
7.根据权利要求6所述的保护电路，其特征在于，所述信号输出端(4)配置为具有0到10V的电压输出端。
8.根据权利要求6所述的保护电路，其特征在于，所述信号输出端(4)配置为具有4到20mA的电流输出端。
9.根据权利要求6所述的保护电路，其特征在于，所述信号输出端(4)配置为二进制接口。
10.根据权利要求9所述的保护电路，其特征在于，所述信号输出端(4)配置为RS232或RS485接口。
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