CN105305388B - 用于监视和切换负载电路的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于监视和切换负载电路的装置：具有输入部分和输出部分；具有用于将控制器连接到输入部分的切换输入；具有用于将至少一个负载电路与至少一个负载连接以被切换到输出部分的切换输出；具有至少一个负载开关，用于切换——特别是接通或关断——至少一个负载；具有至少一个故障检测电路，用于检测在负载电路中的故障，在输出部分中产生至少第一故障信号；以及，具有电隔离级，用于这个第一故障信号和/或从这个第一故障信号得出的第二故障信号从输出部分向输入部分的电隔离的传输。根据本发明，输入部分具有输入电路，输入电路将经由切换输入传入的控制器的切换命令切换为负载开关的切换处理，使得经由切换输入可获得发射的故障信号以用于评估。

Description

用于监视和切换负载电路的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于监视和切换负载电路的装置和方法，因此涉及包括负载电路电源和负载的电流电路，其中，该电流电路可以被负载开关切换，具体地说被闭合或中断。

背景技术

在过程自动化传感器和/或致动器(或效果器等)的领域中，控制器频繁地经由点到点连接来控制这样的转换器(或驱动元件、控制元件)，所述转换器将大部分以电信号的形式存在的控制器(例如，控制计算机)的命令转换为力、运动或其他物理效应(诸如例如，压力或温度改变)。接口组件(接口)被频繁地布置在实际控制器和传感器或行为器之间，该传感器或行为器将由控制器发射的信号的电属性适配于传感器或致动器要接收的信号由于这些传感器或致动器的构造或功能的模式导致所需的属性。该控制器在这些情况下位于接口组件的控制侧上，而背向该控制器的接口组件的侧被称为现场侧。

术语“线路故障透明度”被理解为是这样的系统的功能，该功能保证在接口组件的现场侧上的布线中的、例如线路破损或短路的故障被发射到其控制侧，使得控制器可以检测该故障，并且其中，该故障理想上以对于控制器相同的方式在控制侧上显现示其本身，就好像在现场侧上产生的该故障存在于接口组件的控制侧上。

一系列传统控制器事实上提供了下述可能：检测在直接连接到控制器的现场装置的布线中的诸如线路破损或短路的故障。

如果在控制器和现场装置之间切换接口组件，则控制器可以仅检测到在接口组件的控制侧上的电缆连接中的故障而不是在接口组件的现场侧上的故障。在下述情况下这特别有问题：将接口部件布置得接近控制器，因为在接口组件和现场装置之间的相对长的电缆部分保持未被监视。

发明内容

本发明的目的可以因此在下述方面被看到：用以避免上述的缺点的指示装置和方法。

通过根据权利要求1所述的装置和通过根据独立方法权利要求14所述的方法来实现该目的。

本发明的优选实施例形成从属权利要求的主题。

根据本发明，提供了一种用于监视和切换负载电路的装置，具有输入部分和输出部分，具有用于将控制器连接到所述输入部分的切换输入，具有用于将至少一个负载电路与至少一个负载连接以被切换到所述输出部分的切换输出，并且具有用于切换——特别是接通或关断——所述至少一个负载的至少一个负载开关。所述输入部分具有输入电路，所述输入电路将经由所述切换输入传入的所述控制器的切换命令转换为所述负载开关的切换处理。根据本发明的所述装置具有：至少一个故障检测电路，用于检测在所述负载电路中的故障，并且在所述输出部分中生成至少第一故障信号；以及，电隔离(galvanicallyisolated)级，用于这个第一故障信号和/或从这个第一故障信号得出的第二故障信号从所述输出部分向所述输入部分的电隔离的传输，其中，使得经由所述切换输入可获得发射的故障信号以用于评估。

用于监视和切换负载电路的根据本发明的所述装置或其优选实施例之一优选地作为在控制器和要在现场侧上控制的单元之间的接口组件被切换，所述要在现场侧上控制的单元因此具体地说是传感器或行为器，或者，用于监视和切换负载电路的根据本发明的所述装置或其优选实施例之一是这样的接口组件的构成部分。在这种意义上，下面也参考根据本发明的接口组件。

在本上下文中，负载电路要被理解为电流电路，所述电流电路包括不必然是电阻性的负载和负载电路电源，因此，所述负载电路电源是电能源，其允许电流，具体地说直流或交流通过所述负载在所述负载电路中流动。所述负载电路是在所述装置的所述现场侧上的要控制的单元中——因此具体地说在传感器中或在致动器中——的电流电路。

在本上下文中，负载要被理解为任何一般的——具体地说为非电阻的——消费电器。

在本上下文中，负载开关要被理解为用于切换负载或在负载电路中的电流、具体地说用于接通和关断负载或在负载电路中的电流的装置。

在本上下文中，一种用于监视负载电路的装置要被理解为电子或电气电路，其保证在所述装置的所述现场侧上的要监视的所述负载电路中的故障——具体地说为线路破损或短路——优选地将其本身在用于所述控制器的所述装置的所述控制侧上显现为相同类型的故障，因此具体地说显示为线路破损或短路。

在本上下文中，根据本发明的一种装置的输入部分——具体地说根据本发明的接口组件——要被理解为子装置，具体地说为子电路，控制器经由切换输入连接到或可以连接到所述子装置。所述输入部分经由所述切换输入来接收所述控制器的切换命令，从根据本发明的所述装置的输出部分接收故障信号，并且使得所述控制器能够经由所述切换输入来获得接收到的故障信号以用于评估。这优选地以根据接收到的故障信号而切换的在所述输入部分中的可切换非负载电流的形式出现。

在本上下文中，根据本发明的一种装置的输出部分——具体地说为根据本发明的接口组件——要被理解为子装置，具体地说为子电路，具有至少一个负载的要控制的至少一个单元的至少一个负载电路经由切换输出连接到或能够连接到所述子装置。所述输出部分具有至少一个负载开关，用于切换优选地与所述输入部分的输入电路有源地连接的所述至少一个负载，其中，所述输入电路将经由所述切换输入传入的所述控制器的切换命令转换为所述负载开关的切换处理。

在本上下文中，一种切换输入要被理解为根据本发明的一种装置的输入部分——具体地说为根据本发明的接口组件——的至少一个导电端子触点，所述输入部分并且因此所述装置经由其连接到或可以连接到控制器。

在本上下文中，一种切换输出要被理解为根据本发明的一种装置的输出部分——具体地说为根据本发明的接口组件——的至少一个导电端子触点，所述输出部分并且因此所述装置经由其连接到或可以连接到负载电路。

在本上下文中，一种输入电路要被理解为根据本发明的一种装置的输入部分——具体地说为根据本发明的接口组件——的子电路，其将经由所述切换输入传入的所述控制器的切换命令转换为所述负载开关的切换处理。这样的输入电路优选地具有继电器，用于切换至少一个负载开关。

在本上下文中，一种控制器的切换命令要被理解为电信号、多个同时电信号和/或电信号的时间序列，其经由控制器的切换输入由输入电路接收到并且优选地在输出电路的帮助下被转换为负载开关的切换过程。

在本上下文中，一种——具体地说第一、第二、得出或发射的——故障信号要被理解为电信号，具体地说为电磁、机械、光学或光电信号或这样的信号的组合或这样的信号的时间序列，其意欲指示在所述负载电路中的故障。第一或第二故障信号要被理解为在根据本发明的装置的输出部分——具体地说根据本发明的接口组件——中的这样的故障信号。得出的故障信号要被理解为第二故障信号，其通过至少一个处理步骤从第一故障信号生成或已经生成。所述第二故障信号可以优选地经由电隔离级被发射，例如，脉动或交变信号，其优选地是借助于触发器电路从单个第一故障信号——例如从直流——得出的。

在本上下文中，一种故障检测电路要被理解为电子或电气电路，其优选地与至少一个负载电路串联或并联地电连接，并且如果在这个至少一个负载电路中产生或存在故障，则生成故障信号。

在本上下文中，一种故障信号的评估要被理解为优选地通过一个或所述控制器对于这个故障信号的处理，在所述控制器中的其结果影响关于通过所述控制器切换的至少一个负载电路中的至少一个负载的切换的所述控制器的操作模式。

在本上下文中，一种电隔离级要被理解为一种部件，所述部件便利了在两个电气电路之间的信息传输，而没有在这两个电气电路之间的导电连接。用于这样的电隔离或隔离级的重要示例是优选地在公共铁芯上的、以具有彼此电隔离的线圈的变压器形式的电感隔离级、电容隔离级、诸如继电器或光电转换器——具体地说为所谓的光耦合器——的机电组件。在没有导电连接——具体地说是从所述输出部分向所述输入部分——的情况下的故障信号的电隔离传输——具体地说是从所述输出部分向所述输入部分——要被对应地理解为故障信号的传输，具体地说是从所述输出部分向所述输入部分。

在本上下文中，一种触发器电路要被理解为可以在两个交变状态中的电子或电气电路，在所述两个交变状态之间，它自动地切换，可能被控制信号激活。这样的电路也被称为稳定多谐振荡器。

在本上下文中，一种非负载电流或非负载电流路径要被理解为在根据本发明的所述装置的所述控制侧上流动的可切换电流或用于生成可切换的非负载电流的电路布置。所述非负载电流的所述流动优选地向所述控制器指示在所述负载电路中不存在线路破损。

在本上下文中，在所述负载电路中的一种故障要被具体理解为在所述负载电路中的线路破损或短路。

在根据本发明的所述装置和根据本发明的所述方法的特别优选的变化形式中，不存在辅助电源来对于根据本发明的所述装置供电。因此这些变化形式的特征在于设备的较少使用。根据本发明的所述装置然后被从所述负载电路电源和/或从所述控制侧供应电能。

如果例如由于有缺陷电缆或松开的插入连接导致所述线路在电流电路中的点处断开，则存在线路破损。这防止了在所有操作状态中的电流流动，并且因此在原理上很容易检测。在接通的负载的情况下，所述电流的测试因此足以检测到线路破损。如果所述负载被关断，则本发明优选地从所述负载电路获取优选地低的测试电流，该测试电流优选地是恒定的，并且特别优选地被选择得低以便这个电流不能接通所述负载。如果这个测试电流被中断或已经被中断，则可以推断线路破损。

短路可以根据其产生的位置而具有不同的结果。问题是，是否通过根据本发明的所述装置或通过外部电源来实现所述负载的电压源。因此，在前一种情况下，如果通过根据本发明的所述接口组件来实现所述负载的电压源，则通常在所述接口组件和所述负载之间仅存在两条带电电线。如果短路在此的任何点处出现，则可以在所涉及的所述电流电路中通过伴随短路的在电阻上的减小来检测到这一点。

在所述负载的接通状态中，所述电流作为所述短路的结果将增大为比在正常的无故障操作中产生的那些高得多的值。这种情况可以被可以检测到这样的异常高电流(过电流)的电路检测到。在是负载的关断状态中，短路的检测通过参考由在是负载电路中的所述非负负流生成的电压而是可能的。必须由此观察线路电阻，其也可以在短路的情况下保证在所述负载电路中产生电压。如果根据本发明的所述接口组件的输出端子与现场侧电隔离，则可以仅在第二故障的出现时可能检测到接地故障。

如果根据本发明的所述接口组件仅包含接通或关断外部电压源的开关元件，则可以在不同的点产生短路。

在电压源处的短路中断所述负载电源，并且因此防止电流流过所述负载。这影响诸如线路破损的大多数诊断电路，虽然布线不在任何点处断开。

如果短路在所述负载上产生，则这很难在关断状态中确定，因为在由所述短路引起的所述负载电阻上的改变也难以用无负载电流测量，因为总电压位于根据本发明的所述接口组件的打开触点处。如果在存在负载短路的情况下接通所述负载电路，则所述负载电路的电压源的熔丝跳闸(在许多情况下，具体地说，在熔丝的适当尺寸下)，由此，导致线路破损。如果不是这种情况，则可以经由通过根据本发明的所述接口组件的输出端子的太高的电流来检测到所述短路。

在根据本发明的所述接口组件的触点处的短路的情况下，非故意地接通所述负载。对于所述接口组件本身，在所述负载电路中的电压减小为0伏特，许多传统诊断电路将这一点检测为在所述负载电路中的线路破损。

如果所述负载的外部电压源具有地参考，则接地故障——具体地说具有打开的连接器输出——可以导致所述负载的非故意的接通。特别是如果在导线上产生故障，则这一点产生，所述导线将所述负载连接到根据本发明的所述接口组件的输出。

根据本发明的优选实施例，向在所述装置的输入部分中的切换级发射所发射的第一和/或第二故障信号，其中，该切换级根据在所述负载电路中是否已经检测到故障或在所述负载电路中已经检测到哪一种故障类型来采取至少两种可能状态之一。

以这种方式，以可以被所述控制器检测到的稳定信号的形式来在所述输入部分中表示发射的故障信号。

在本上下文中，一种切换级要被理解为电子或电气电路，其根据控制信号来切换——具体地说接通或关断——具体地说在非负载电流路径中的电流。在这个意义上的切换级的示例是经由一个或多个晶体管控制的继电器或半导体电路。在本上下文中，一种被切换的切换级要被理解为在切换状态中的切换级。对应地，一种非切换的切换级要被理解为在所述非切换状态中的切换级。

根据本发明的另一个优选实施例，所述电隔离级具有至少一个光耦合器。

光耦合器是在两个电隔离的电流电路之间的光电发射器。与其他电隔离相比较，它们具有相当小的尺寸，促进故障信号的数字和模拟传输，并且没有被看作偏离电磁场的来源的任何电感。它们也相对于引起干扰的外部电磁场不敏感，并且具有比机电解决方案更短的延迟时间和更小的磨损率。然而，与诸如继电器或变压器的用于电隔离传输的电磁解决方案相比较，这样的光电发射器的输入和/或输出电路经常相对于开销或引起干扰的脉冲更敏感。

根据本发明的另一个优选实施例，至少一种故障检测电路具有电流调节器，用于从负载电路获取测试电流，其中，第一故障信号根据所述测试电流是流动还是被中断而不同。这个实施例促进了在特别简单的故障检测和从所述输出部分向所述输入部分的故障状态的透明传输。

根据本发明的另一个优选实施例，所述测试电流在负载的情况下相对于在所述负载电路中流动的电流可忽略地小。这个实施例促进了对于所述负载电路具有很低的引起干扰的影响的故障检测。

根据本发明的另一个优选实施例，所述测试电流是恒定的。

这个实施例促进了故障检测，所述故障检测相对于在所述负载电路中的电流中的波动特别稳健。

根据本发明的另一个优选实施例，所述电隔离级具有至少一个变压器和触发器电路，用于将所述测试电流转换为交流测试电路，其中，所述电流调节器和所述触发器电路形成与所述负载开关并联的串联电路，其中，所述电隔离级的输入连接到所述触发器电路的输出，并且其中，所述电隔离级的输出经由第一整流器连接到所述切换级的输入。

这个实施例促进了特别简单并且同时有效的电隔离，经由所述电隔离，信息传输借助于以简单的方式在时间上可改变的电流是可能的。所述交流测试电流是从可以经由电隔离的变压器从所述输出部分向所述输入部分发射的所述测试电流得出的故障信号。

根据本发明的另一个优选实施例，第二整流器与所述电流调节器和所述触发器电路串联。

所述第二整流器使得在所述负载电路中流动的交流电流在与所述负载电路并联的所述测试电流电路中被整流。以这种方式，所述故障检测电路可以与直流电流或交流电流是否在所述负载电路中流动无关地工作。

如果在所述负载电路中仅预期交流电流并且从所述负载电路获取的测试电流因此在没有第二整流器的情况下在任何情况下是交流电流，则可以在没有触发器电路的情况下直接地经由所述变压器从所述输出部分向所述输入部分发射这个交流电流。

根据本发明的另一个优选实施例，所述电隔离级具有至少一个变压器，用于发射从所述负载电路直接地获取的交流测试电流。

根据本发明的另一个优选实施例，所述切换级切换在所述输入部分中的非负载电流路径中的非负载电流。以这种方式，所述控制器在根据本发明的所述装置的所述输入部分处“看到”与如果所述控制器直接地连接到所述负载电路则所述控制器“将看到”的状态相对应的状态。因此，在这个意义上，在此提供了高度的线路故障透明度。

根据本发明的另一个优选实施例，所述非负载电流实质上具有与所述测试电流相同的强度。通过这个实施例以更大的程度实现了线路故障透明度的原理。

根据本发明的另一个优选实施例，所述非负载电流路径在所述输入部分中具有被至少一个晶体管控制的恒流源。所述线路故障透明度的目的，特别是在根据本发明的所述装置的所述输入部分处的限定的非负载电流的提供的目的可以用晶体管控制的恒流源被特别简单和有效地实现。

根据本发明的另一个优选实施例，所述电子切换级具有至少一个场效应晶体管，所述场效应晶体管的栅极电极连接到所述整流器电路的第一输出端子，并且所述场效应晶体管的漏极电极连接到所述整流器电路的第二输出端子，并且同时经由所述非负载电流路径连接到切换输入。用这样的电路可以特别简单和有效地实现所述线路故障透明度的目的，特别是在根据本发明的所述装置的所述输入部分处的限定的非负载电流的提供的目的。

根据本发明的另一个优选实施例，所述输入电路具有线圈，所述线圈与至少一个负载开关有源地连接。这个优选实施例使得从所述输入部分向所述输出部分电隔离地传输所述控制器的所述切换命令，并且因此使得所述控制器基于公共数字电路而不使用功率半导体来安全地控制强电流负载。

而且，已知根据本发明的一种用于监视和切换具有负载的负载电路的方法，其中

a)具有输入部分和输出部分的装置在控制器和所述负载电路之间被切换或已经被切换，

b)所述输入部分具有输入电路，所述输入电路将经由切换输入传入的所述控制器的切换命令转换为所述负载开关的切换处理，

c)至少一个故障检测电路检测在所述负载电路中的故障，并且在所述输出部分中生成至少一个第一故障信号，

d)电隔离级以电隔离的方式来从所述输出部分向所述输入部分发射这个第一故障信号和/或从这个第一故障信号得出的第二故障信号，并且其中

e)使得经由所述切换输入可获得发射的故障信号以用于评估。

按照根据本发明的所述方法的优选实施例，根据本发明的一种装置特别根据所述的优选实施例之一在所述控制器和所述负载电路之间已经被切换或被切换。

附图说明

下面参考所附的示意图来解释本发明的另外的有利的示例性实施例，在该示意图中：

图1示出用于在控制器和负载电路之间监视和切换负载电路的根据本发明的装置的根据本发明的布置的示意图示；

图2示出在控制器和负载电路之间的根据现有技术的接口组件的布置的示意图示；

图3示出用于监视和切换负载电路的根据本发明的装置的一个示例性实施例的示意图示；

图4示出用于监视和切换负载电路的根据本发明的装置的示意图示，其中，对于负载电路存在辅助电源；

图5示出用于监视和切换负载电路的根据本发明的装置的另一个实施例的示意图示；

图6示出用于监视和切换负载电路的根据本发明的装置的示意图示，其中，对于负载电路存在辅助电源；

图7示出用于监视和切换负载电路的根据本发明的装置的另一个示例性实施例的示意图示；

图8示出用于监视和切换负载电路的根据本发明的装置的另一个示例性实施例的示意图示；

图9示出在用于监视和切换负载电路的根据本发明的装置中的恒流源的示例性实施例的示意图示；

图10示出在用于监视和切换负载电路的根据本发明的装置中的恒流源的示例性实施例的示意图示；

图11示出在用于监视或切换负载电路的根据本发明的装置中的过压保护电路的示例性实施例的示意图示；

图12示出在用于监视和切换负载电路的根据本发明的装置中的、用于分离非负载电流路径的电路布置的示例性实施例的示意图示；

图13示出在用于监视和切换负载电路的根据本发明的装置中的子电路的示例性实施例的示意图示；

图14示出在用于监视和切换负载电路的根据本发明的装置中的子电路的示例性实施例的示意图示；

图15示出在用于监视和切换负载电路的根据本发明的装置中的子电路的示例性实施例的示意图示。

具体实施方式

在图1中示出具有控制器101、接口组件102和负载电路103的布置的、形成本发明的基础的一种典型的一般结构。

负载电路是在根据本发明的接口组件102的现场侧上连接到接口组件102的、诸如例如致动器或传感器的单元103的电流电路。在接口组件102中，存在输入部分130和输出部分131。控制器101向根据本发明的接口组件发射控制信号132，该控制信号被输入部分130接收并且被转换为输入部分对于输出部分131的控制信号133。输出部分131继而控制(箭头134)负载电路103。在负载电路(箭头137)中的故障影响在接口组件中的故障检测，并且被输出部分的用于故障检测的电路发射到输入部分(箭头135)。根据本发明的接口组件以这种方式带来在用于控制器101的负载电路中的故障的故障模拟136。

本发明在下述意义上促进线路故障透明度：在根据本发明的接口组件的现场侧上的布线中的例如线路破损或短路的故障被发射到其控制侧，使得控制器可以检测故障，其中，该故障以对于控制器类似或相同的方式在所述控制侧上显现其本身，就好像在现场侧上产生的这个故障存在于根据本发明的接口组件的控制侧上。

图2示出根据现有技术的布置，该布置具有根据现有技术的接口组件112，其输入部分130具有一起被控制的一个或多个继电器117，开关118和119用其来在输出部分131中被切换。通过继电器117的电流来自使用控制器的开关114切换的控制器111的电流源115。接口组件112的输入部分130可以还具有测试输入116。

在图1中所示的来自现有技术的布置中，开关118串联，由此负载电路113b的可靠关断变得可能。负载电路113b由负载126b和负载电路电源127b构成，并且经由触点123b和125b连接到输出电路131的输出端子123和125，由此，在此所示的示例中也提供了熔丝120。开关119并联，由此促进负载电路113a的安全接通，负载电路113a由负载126a和负载电源127a构成，并且经由连接121a和122a连接到输出电路131的连接端子121和122。由负载126c和负载电路电源127c构成的负载电路113c经由连接121c、122c、123c和125c而连接到接口组件112的连接端子121、122、123和125。

图3示出根据本发明的接口组件202a的一个优选示例性实施例，其经由接口组件的输入端子209和210连接到控制器，并且经由接口组件的输出端子121和122连接到负载电路113a。并联的开关119优选地被输入电路208的继电器切换。具有触发器电路204的电流调节器203的串联电路与负载电路并联地被布置。触发器电路204将电流调节器203的恒流转换为在时间上改变的信号，该信号可以经由发射器205被发射到整流器206。整流器206的输出信号切换可切换的非负载电流分支207。

当输出触点119打开时，从负载电路113a获取优选地小的电流。这仅在下述情况下是可能的：如果负载电路电源127a存在并且在操作中，并且如果负载电路的布线是依序的。该电流的流动因此是负载电路的正确的操作准备的指示。在这种情况下，触发器电路204被触发以生成经由发射器205被发射到整流器206的交流电流。这个整流器206控制输入侧非负载电流电路207，使得如果非负载电流在负载电路113a中流动，则非负载电流仅在此流动。电隔离205将输入侧130相对于输出侧131电隔离，并且由此促进了对于通过控制器101的直接监视太大的、在负载电路中的高压的监视。

图4示出另一个装置，其中，根据本发明的接口组件202b具有两个故障检测电路211和212，其中，故障检测电路211与负载电路113a并联，并且其中，该故障检测电路212被串联地整合到负载电路113a内。如果闭合开关119中的至少一个，则电流因此仅流过故障检测电路212，而如果两个开关119打开，则仅在故障检测电路211处供应电压。逻辑电路213链接故障检测211和212的结果，并且逻辑结果切换非负载电流切换级214，该非负载电流切换级214被与激活开关119的输入电路215并联地布置。

取代触发器电路和具有下游整流器的发射器，在此经由逻辑电路——优选地为“或”门——从输出侧向输入侧在没有电隔离的情况下发射故障信号。可以优选地经由继电器309电隔离地实现对可切换非负载电流分支207的控制。

图5示出在图3中所示的实施例的具体图示，其中，通过MOSFET 308来切换非负载电流分支207或307，MOSFET 308的栅极被整流器206的输出控制。在整流器206的输出侧处供应的电压优选地在导通模式中切换MOSFET 308，MOSFET 308将非负载电流电路307保持活动，这向控制器101以信号通知状态“负载电路OK”。

图6示出在图4中所示的示例性实施例的具体图示，其中，该故障检测电路211具有测试电流分支311a和用于线路破损检测的电路311b，并且其中，故障检测电路212具有用于线路破损检测的电路312a和用于短路检测的电路312b。故障检测电路311d、312a和312b的输出信号在诸如“或”门的逻辑电路313中被逻辑地链接，并且这个链接的结果控制继电器309，该继电器309切换非负载电流分支314。该继电器打开可以被控制器检测到的在输入电路的串联触点。输入电路315激活开关119。

图7示出在图3中所示的示例性实施例的变化形式，其中，整流器403已经被整合到电路203和204的串联连接内。用本发明的这个示例性实施例，由于整流器403，在负载电路113a中的交流电流的检测也是可能的。

图8示出图4的变化形式，其中，对应地，整流器403已经被整合到电路203和204的串联连接内。用本发明的这个示例性实施例，由于整流器403，在负载电路113a中的交流电流的检测也是可能的。

图9示出电流源电路，电流501流过该电流源电路，其中，电流源电路由分流电阻器502和耗尽MOSFET 503构成。与电流501成比例的在分流电阻器502处的电压降产生在MOSFET 503的栅极电压上的降低，由此，电流501被分流电阻器502限制。

在具有大的电压范围的应用中，单独通过电阻器的非负载电流生成——对于一些控制输出常见——不被认真考虑，因为在恒定的电阻值的情况下，在输入电压范围的结尾处的电流将增大为初始电流的多倍，例如，10倍。如图例如在图9中所示的经由恒流电路的非负载电流生成因此在这些情况下特别优选。当在这种情况下的非负载电流分支同时构成该电路的电源时，用于非负载电流生成的电路设计不应当要求任何独立的电源。

也可以在下述方面看到在图9中所示的电流源的优点：也可以对于具有高达358V的峰值的例如253V的交流电流的大的电压范围考虑该解决方案，而诸如恒流二极管或集成稳压器的其他手段不应当与分流电阻器一起使用。因此，在本发明的上下文中，具有具有分流电阻器的耗尽MOSFET的恒流源是优选的，如例如在图9中所示。

图10示出了电流源的变化形式，其不是极性相关的，并且可以因此独立于电源电压的某个极性而被操作。对此，在图9中所示的电路被第二MOSFET扩展。总是通过两个MOSFET 603或604之一来实现电流调节，正电势在该MOSFET的漏极端子处。如在图9中所示的电路中那样，流过电阻器602的电流605、608生成负栅极-源极电压，其将MOSFET的沟道变窄，并且因此将电流限制为由电阻器选择的值。当第二MOSFET以负极性连接到这个电阻器602时，在电阻器上的电压降在此是正栅极-源极电压，由此，该沟道被放大，并且使得电流的未被阻碍的流过成为可能。

如果在图10中所示的电路处的电压不大于26.5V，则可以将喜欢和节省空间的MOSFET与耗尽类型的N沟道MOSFET一起使用，诸如例如与晶体管BSS 139一起使用。这可以具有250V的最大漏极源极电压，并且促进在0V的栅极-源极电压下的30mA的电流。栅极阈值电压在与例如在晶体管BSP135的情况下相同的范围中具有通常值-1.4V和-1V至-2.1V的偏差。对于390欧姆的电阻值，在图10中所示的电路中，在控制侧上作为非负载电流生成大约2mA的电流，由此要在其上使用根据本发明的接口组件的所有输出卡应当管理。

图11示出根据本发明的接口组件的一个实施例的子电路，使用其可以检测控制输出的切换状态。用于0信号的在控制输出处的电压应当优选地低于3V DC，并且对于1信号高于20V DC。该电路必须因此保证根据本发明的接口组件的输入在低于3V的电压下被安全地隔离，并且在高于20V的电压处被安全地接通。输入电压的极性可以在此不扮演任何角色，也和接口组件的输入的情况那样。

为了促进极性相关的使用，该电路由两个镜对称的相同部分构成，每个部分被容纳在将控制输出连接到继电器的输入的两条导线之一中。在具有负电势的分支中的MOSFET703、704接通和关断根据本发明的接口组件的输入。在具有正电势的分支中的另一个MOSFET 703、704被集成的二极管桥接。出现接通或关断的切换阈值被分压器给出，该分压器包括两个电阻器705、708和两个Z二极管(齐纳二极管)706和707。更接近具有正电势的导线的Z二极管在Z方向上操作，并且第二二极管在正向方向上操作。一旦输入电压超过Z电压加正向电压的总和，则以在两个电阻器处的相同比例来划分剩余的电压。

该两个MOSFET的栅极端子连接到分压器的中间，由此，在每种情况下首先连接的二极管保证在负分支中的MOSFET不能被位于栅极和源极之间的另一个MOSFET的电阻器激活。位于负分支中的MOSFET的栅极-源极电压对应于在两个电阻器之一上降低的电压，由此，MOSFET以足够高的输入电压充分地连接通过。

当使用8.2V Z二极管时，该电压是大约14V，并且因此精确地位于在3和20V之间的预定义范围中。由此，在MOSFET处的栅极-源极电压大约是2.5V。对于20V的输入电压，存在5.5V的计算栅极-源极电压，MOSFET使用其可以在每种情况下充分地连接通过。在正分支中的MOSFET的栅极-源极电压是负的，由此它不能被控制通过。然而，当电流可以经由被集成到MOSFET内的二极管流动时，该MOSFET的通过连接不是必要的。对于计算的-16.3V，电压在此保持在根据本发明的接口组件的最大输入电压处，充分地远远低于对于MOSFET通常的+/-20V的最大栅极-源极电压。

图12示出用于分离在连接点805和806处具有两个反串联的MOSFET 801和802以及电阻器803和804的非负载电流路径的子电路。在图12中所示的子电路在图13中被使用，并且被指定为附图标号808。

图13示出在一个示例性实施例中的根据本发明的接口组件的布线图。用于分离非负载电流分支的电路布置808的连接端子805和806连接到整流器901的输出，整流器901将被发射器902发射的交流信号整流。该整流器905对应于在图7和8中的整流器403。电流调节器904使得触发器电路903振荡，使得其输出信号经由发射器902被发射，并且被整流器901整流。在接口组件的输入侧非负载电流分支807中，当电流也在输出侧非负载电流分支904中流动时，非负载电流因此精确地流动。在负载电路中的电流的中断因此作为在输入侧上的电流的中断被转发到接口组件的输入侧。

图14示出在图13中所示的整个电路的子电路。整流器901在这个示例性实施例中由肖特基二极管920、921、924和925以及电容器923构成。

图15示出作为一个示例性实施例的图13的子电路，其中触发器电路由双极晶体管910和911与电阻器912、913、915和916构成，并且也由电容器914和917构成。

在图3、5、7至15中所示的变化形式中，不需要辅助电源来向根据本发明的装置供电。

附图标号的列表

101 控制器

102 根据本发明的接口组件，用于监视和切换负载电路的装置

103 负载电路、现场侧单元、致动器、传感器

111 控制器

112 根据现有技术的接口组件

113a 负载电路

113b 负载电路

113c 负载电路

114 开关

115 电流源

116 测试输入

117 继电器

118 并联开关

119 串联开关

120 熔丝

121 接口组件的输出端子

122 接口组件的输出端子

123 接口组件的输出端子

124 接口组件的输出端子

125 接口组件的输出端子

121a 负载电路的输入端子

121c 负载电路的输入端子

122a 负载电路的输入端子

122c 负载电路的输入端子

123b 负载电路的输入端子

123c 负载电路的输入端子

125b 负载电路的输入端子

125c 负载电路的输入端子

126a 负载

126b 负载

126c 负载

127a 在负载电路中的电流源

127b 在负载电路中的电流源

127c 在负载电路中的电流源

130 输入部分

131 输出部分

132 到接口组件的控制信号

133 输入部分对于输出部分的控制

134 输出部分对于负载电路的控制

135 输出部分到输入部分的故障消息

136 用于控制器的接口组件的故障模拟

137 负载电路故障对于故障检测的影响

202a 根据本发明的接口组件

202b 根据本发明的接口组件

203 电流调节器

204 触发器电路

205 发射器、变压器、电隔离级

205a 电隔离级的初级侧输入

205b 电隔离级的次级侧输出

206 整流器

207 可切换非负载电流分支

208 输入电路

209 接口组件的输入端子

210 接口组件的输入端子

211 故障检测电路

212 故障检测电路

213 逻辑电路

214 非负载电流切换级

215 输入电路

302a 根据本发明的接口组件

302b 根据本发明的接口组件

307 非负载电流分支

308 MOSFET

309 继电器

311a 测试电流分支

311b 线路破损检测

312a 线路破损检测

312b 短路检测

313 逻辑电路，“或”门

314 在非负载电流切换级中的继电器

315 输入电路

403 整流器

501 通过电流源电路的电流

502 分流电阻器

503 耗尽MOSFET

602 电阻器

603 耗尽MOSFET

604 耗尽MOSFET

605 通过电流源电路的电流

606 通过电阻器602的电流

607 通过电阻器602的电流

608 通过电流源电路的电流

701 (正)电源电压

702 (负)电源电压

703 接口组件的输入端子

704 接口组件的输入端子

705 电阻器

706 齐纳二极管

707 齐纳二极管

708 电阻器

709 电阻器

710 二极管

711 二极管

712 电阻器

713 MOSFET

714 MOSFET

801 MOSFET

802 MOSFET

803 电阻器

804 电阻器

805 非负载电流分支的切换输入

806 非负载电流分支的切换输入

807 电流源

808 在非负载电流分支中的切换级

901 整流器

902 发射器、变压器

903 触发器电路

904 电流源

905 整流器

906 在故障检测中的整流器的连接端子

907 在故障检测中的整流器的连接端子

910 在触发器电路中的双极晶体管

911 在触发器电路中的双极晶体管

912 电阻器

913 电阻器

914 电容器

915 电阻器

916 电阻器

917 电容器

920 肖特基二极管

921 肖特基二极管

923 电容器

924 肖特基二极管

925 肖特基二极管

Claims (15)

1.一种用于监视和切换负载电路(103)的装置，具有：

a)输入部分(130)和输出部分(131)，

b)切换输入(209，210)，用于将控制器(101)连接到所述输入部分(130)，

c)切换输出(121，122)，用于将至少一个负载电路(103，113a，113b，113c)与至少一个负载(126a，126b，126c)连接，以被切换到所述输出部分(131)，

d)至少一个负载开关(118，119)，用于切换所述至少一个负载(126a，126b，126c)，其中

e)所述输入部分(130)具有输入电路(208)，所述输入电路(208)将经由所述切换输入(209，210)传入的所述控制器(101)的切换命令转换为所述负载开关(118，119)的切换处理，

f)具有至少一个故障检测电路(211，212)，用于检测在所述负载电路中的故障，并且用于在所述输出部分(131)中生成至少第一故障信号；以及，

g)电隔离级(205，902)，用于该第一故障信号和从该第一故障信号得出的第二故障信号中的至少一个从所述输出部分(131)向所述输入部分(130)的电隔离传输(135)，

h)其中，经由所述切换输入(209，210)使得所传输的故障信号可用于评估。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所传输的第一故障信号和第二故障信号中的至少一个被发射到在所述装置的所述输入部分(130)中的切换级(207，214，808)，其中，该切换级(207，214，808)根据在所述负载电路中是否已经检测到故障或已经检测到哪种故障类型而采取至少两种可能状态之一。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

所述电隔离级(205，902)具有至少一个光耦合器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

至少一个故障检测电路(211)具有电流调节器(203)，用于从所述负载电路(103，113a)获取测试电流，其中，所述第一故障信号根据所述测试电流是流动还是被中断而不同。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

在负载的情况下，所述测试电流与在所述负载电路中流动的电流相比较可忽略地小。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述测试电流是恒定的。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

a)所述电隔离级(205，902)具有至少一个变压器(205，902)，以及

b)触发器电路(204)，用于将所述测试电流转换为交流测试电流，其中

c)所述电流调节器(203)和所述触发器电路(204)形成与所述负载开关(119)并联连接的串联电路，

d)所述电隔离级(205，902)的输入(205a)连接到所述触发器电路(204)的输出，以及其中

e)所述电隔离级(205，902)的输出(205b)经由第一整流器(206)连接到所述装置的所述输入部分(130)中的切换级(207，808)的输入。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

第二整流器(403，905)与所述电流调节器(203)和触发器电路(204)串联连接。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述切换级(207，208)切换在所述输入部分中的非负载电流路径(307，314)中的非负载电流。

10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述输入部分中的非负载电流路径(307，314)中的非负载电流具有与所述测试电流实质上相同的强度。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，

在所述输入部分中的所述非负载电流路径具有被至少一个晶体管控制的恒流源。

12.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述切换级(207，808)具有至少一个场效应晶体管(308，801，802)，所述场效应晶体管的栅极电极连接到整流器电路(901)的第一输出端子(805)，并且所述场效应晶体管的漏极电极连接到所述整流器电路(901)的第二输出端子(806)，并且所述场效应晶体管的源极电极经由非负载电流路径(307，807)连接到切换输入(210)。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述输入电路(208)具有线圈(117)，所述线圈与至少一个负载开关(118，119)有源地连接。

14.一种用于监视和切换具有负载(126a，126b，126c)的负载电路(103)的方法，其中

a)具有输入部分(130)和输出部分(131)的装置在控制器(101)和所述负载电路(103)之间被切换或已经被切换，

b)所述输入部分(130)具有输入电路(208)，所述输入电路将经由切换输入(209，210)传入的所述控制器(101)的切换命令转换为负载开关(118，119)的切换处理，

c)至少一个故障检测电路(211，212)检测在所述负载电路中的故障，并且在所述输出部分(131)中生成至少第一故障信号，

d)电隔离级(205，902)以电隔离(135)的方式来从所述输出部分(131)向所述输入部分(130)发射该第一故障信号和从该第一故障信号得出的第二故障信号中的至少一个，并且其中

e)经由所述切换输入(209，210)使得所发射的故障信号可用于评估。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，根据权利要求1所述的装置在所述控制器(101)和所述负载电路(103)之间被切换或已经被切换。