CN105359413A

CN105359413A - 用于保护两线电流环路的至少一个部件的电路布置

Info

Publication number: CN105359413A
Application number: CN201480038325.7A
Authority: CN
Inventors: 贝恩德·施特鲁特; 于尔根·迈尔; 克里斯托夫·萨海
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2014-06-02
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2034-06-02
Also published as: WO2015000650A1; US20160164511A1; CN105359413B; US9685942B2; EP3017543B1; DE102013107088A1; EP3017543A1

Abstract

本发明涉及一种用于保护两线电流环路中的至少一个部件(3)的电路布置，该部件(3)与负载(1)一起串联连接至AC/DC电流源(16)，其中，两线电流环路具有整流器(2)、时钟信号发生器(9)和开关(3)，其中整流器(2)形成直流电路(12)，其中开关(3)连接在直流电路(12)中，并且时钟信号发生器(9)将时钟信号T输出至开关(3)以便对直流电路(12)计时。本发明的特征在于，该电路布置具有二极管(4)，其中二极管(4)的正向是从二极管(4)的阳极K_N到二极管(4)的阴极K_A，二极管(4)的阴极K_A连接至直流电路(12)，二极管(4)的阳极K_N施加有来自第一电压源(6a)的周期性的或恒定的电压，并且该电压至少周期性地大于预设阈值S。

Description

用于保护两线电流环路的至少一个部件的电路布置

技术领域

本发明涉及一种用于保护两线电流环路中的至少一个部件的电路布置，该两线电流环路与负载一起串联连接至AC/DC电源，其中两线电流环路具有整流器、时钟信号发生器和开关，其中整流器形成直流电路，其中开关连接在直流电路中，并且其中时钟信号发生器将时钟信号输出至开关以便对直流电路计时。

背景技术

在过程和自动化技术的现场装置中经常应用两线电流环路。在过程技术中以及在自动化技术中，常常应用用于记录和/或影响过程变量的现场装置。测量装置用于记录过程变量，这样的测量装置诸如填充料位测量装置、流量测量装置、压力和温度测量装置、pH测量装置、导电性测量装置等，分别记录对应的过程变量：填充料位、流量、压力、温度、pH值和导电性。致动器诸如阀或泵用于影响过程变量，经由致动器改变例如管线中的液体的流动或容器中的介质的填充料位。原则上，被称为现场装置的是靠近过程应用的并且传递或处理过程相关信息的所有装置。大量这样的现场装置可由Endress+Hauser公司的下属公司制造和出售。与本发明相关，术语现场装置因此包含所有类型的测量装置和致动器。此外，概念现场装置还包括集成在/可集成在总线系统中的例如网关、无线电适配器或其它总线参与者(busparticipants)。

如果具有两线电流环路的这样的现场装置停止工作，则最终损害会是显著的。因此，重要的是提供被保护免于故障的现场装置。特别地，两线电流环路必须被保护免于产生过电流。

在两线电流环路的情况下存在可以如何出现过电流的多种可能性。因此，存在许多应用，在这种情况下，串联的两线电流环路连同负载一起串联连接到电流供应装置。负载为例如接触器。在启动的情况下，或当连接电流供应装置时，可能发生的是，负载被忽略并且未连接。进一步可能的是，跨负载发生短路。在这些情况下，不存在跨负载的压降。如果部件与负载串联连接，跨该部件的压降高于正常操作的情况，在这种正常操作的情况下，不存在过电流状态。部件可以为例如开关。如果部件对于过高电流敏感，则在发生过大电流的情况下，部件会受损。例如，FET(场效应晶体管)作为两线电流中的开关被越来越多地应用。当FET作为开关应用并且过电流状态发生时，FET将在短时间内受到不能恢复的损害。

用于两线电流环路的部件的保护的电路布置是已知的。因此，WO86/03079公开了用于切换直流电路和交流电路中的电阻性用电器和电感性用电器的电路布置。电路布置包括控制电子装置，以及用于供应控制电子装置的电压供应装置，以及短路和过载保护装置。在电路布置中提供用于检测过载状态的装置，过载状态例如作为晶体管的不容许的高温或不容许的高负载电流的结果。在过载状态的情况下，开关被供应控制信号。用于检测过载状态的装置包括电流测量电阻器以及阈值开关，负载电流流经电流测量电阻器。

从DE3924824A1获知具有用于保护计时半导体开关的控制电路的电路布置，计时半导体开关与其开关路径一起置于负载电流电路中。电路布置包括实际值传感器，实际值传感器形成在半导体开关的开关路径中流动的负载电流的实际值。半导体开关的计时启动经由控制电路发生。测量电阻器与半导体开关的开关路径串联。跨测量电阻器产生的压降代表实际值传感器的输入变量。实际值传感器包括：第一二极管，其阴极与实际值传感器的输入连接；第二二极管，其阴极与第一二极管的阳极连接，并且其阳极经由第一电阻器与实际值传感器的输出连接以及还经由第二电阻器与第一操作电压源连接。控制单元的输出与Schmitt触发器的输入连接，Schmitt触发器的输出与控制电路的输入连接，并且控制电路的输出控制场效应晶体管的栅电极。

从DE10125210B4获知用于借助于半导体闸流管供给负载的电路布置。负载与整流器电路的输入连接。半导体闸流管的阳极阴极路径与整流器电路的正负输出相联接并且受到保护免于负载的短路。为此，正输出经由晶体管和二极管与电容器的一侧连接，负输出作为电路零点(电路接地)与电容器的另一侧连接。晶体管和电阻器与半导体闸流管并联地连接。晶体管和电阻器的汇合部置于比较器的一个输入上；而基准电压置于另一个输入上。在负载短路的情况下，测量发送器的切换电压借助于开关从半导体闸流管的栅极断开。

所有这些解决方案具有一种测量电阻器，该测量电阻器连接在待保护免受电路布置影响的开关或部件的下游。然而，某些缺点与此相关联。因为测量电阻器与开关串联连接，所以在正常操作的情况下，存在连续的能量损耗。此外，在过电流状态的情况下，测量电阻器会例如因过热而受损。

本发明的目的是提供一种电路布置，在过载电流状态的情况下，该电路布置以节能的方式保护两线电流环路的部件。

发明内容

根据本发明，该目的由如权利要求1中所限定的电路布置来实现。

因此该目的通过以下特征来实现，该特征包括：电路布置具有二极管，其中二极管的导通方向从二极管的阳极指向二极管的阴极，二极管的阴极连接到直流电路，二极管的阳极被供应来自第一电压源的周期性的或恒定的电压，该电压至少周期性地大于预定阈值，并且电路布置具有至少一个开关元件，所述至少一个开关元件用于接通或断开时钟信号，其中开关元件根据二极管的阳极具有的电压与阈值之间的比较结果使时钟信号通过或阻断时钟信号。

如果开关元件使时钟信号通过，则时钟信号到达开关，并且直流电路的电流可以以时钟脉冲流动。因此，在正常操作下，现场装置的电流供应被启用。在过载电流状态期间，开关元件阻断时钟信号。因此，没有电流可以流入直流电路中，并且开关被保护免受过高电流。

优选实施例提供的是，第一电压源被实施为时钟信号发生器。在这样的情况下，二极管的阳极被供应的电压至少周期性地大于预定阈值。在这种情况下，时钟信号发生器用于履行多项任务：制造成本比其它情况低，并且不需要附加电压供应装置。因此，紧凑装置结构是可能的。

在实施例的示例的有利的进一步开发的情况下，二极管的阳极连接到比较器的第一输入，并且可调节第二电压源连接到比较器的第二输入。比较器提供二极管的阳极上的电压与阈值之间的简单比较，其中，阈值在此处由可调节第二电压源提供。

在本发明的电路布置的有利的进一步发展的情况下，可调节第二电压源包括分压器。分压器用作用于设定上述阈值的成本有效的装置，且不存在对现场装置的能量消耗或可靠性的值得一提的影响。

在本发明的电路布置的有利的进一步发展的情况下，比较器的输出与开关元件连接，其中开关元件是逻辑元件。逻辑元件例如与非门在现场装置的设计的情况下提供许多灵活性，使得关于特定目标设定的最佳实施例是可实现的。在优选实施例中，在临时产生的且可校正的错误的情况下，现场装置可以进一步通过将单稳态触发器(即，单稳多谐振荡器)整合到逻辑元件中而起作用。

在本发明的电路布置的有利的进一步开发的情况下，逻辑元件的输出与微控制器连接，其中微控制器基于逻辑元件的输出信号检测直流电路中的过电流状态。如果微控制器检测到过电流状态，则微控制器可以用作二级保险。在本发明的意义中，一级保险是开关元件的迅速反应硬件功能。微控制器可以例如通过控制电路布置使得时钟信号永久地断开或使得输出错误报告来用作二级保险。

在本发明的电路布置的有利的进一步发展中，半导体开关连接在二极管的阳极与地之间，其中微控制器控制半导体开关使得比较器的第一输入上的电压短时间低于阈值。如果半导体开关短时间接通从二极管的阳极到地的路径，则比较器的第一输入上的电压短时间下降至参考地。由于地电位低于阈值，所以时钟信号被置回在开关上。该过程使得在临时发生的且可校正的错误的情况下启用现场装置的进一步的功能，而无需手动重启现场装置。因此，节省了时间和/或维护费用。

在本发明的电路布置的实施例中，时钟信号发生器被集成到微控制器中或被实施为独立的微控制器单元。在这种情况下，微控制器用于履行多项任务。在这样的情况下，制造成本保持比其它情况低。此外，实现了紧凑的装置结构，例如使得时钟信号发生器直接由微控制器驱动。

在本发明的电路布置的实施例中，时钟信号经由滤波器元件置于二极管的阳极上。滤波器元件用于抵消时钟信号与到达开关的实际切换信号之间的时移。如果二极管比开关更快到达，那么当脉冲已经置于二极管上而开关仍未切换时，会出现电压峰值。

在本发明的电路布置的有利的进一步发展的情况下，在比较器的输出与比较器的第一输入之间提供反馈，其中反馈具有反馈二极管，该反馈二极管用于将比较器的第一输入上的电压保持高于阈值。反馈二极管的阴极连接到比较器的第一输入。反馈二极管的阳极连接到比较器的输出并且还连接到第二电压源。当如此布置反馈二极管时，比较器的第一输入上的电压保持高于阈值并且开关元件或逻辑元件进一步阻断时钟信号。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明，附图的图示出如下：

图1是本发明的电路布置的实施例的第一示例的框图；

图2是本发明的电路布置的实施例的第二示例的框图；

图3是本发明的电路布置的实施例的第三示例的框图；

图4a-d是针对图2所示的本发明的电路布置的四个采样位置A、B、C、D的以电压-时间形式的时钟信号T的曲线的示意性表征。

具体实施方式

图1以框图形式示出本发明的电路布置的实施例的第一示例。在这样的情况下，两线测量装置11连接到AC/DC电压源16。电压源16在最大的情况下具有在19伏与253伏之间的电压。负载1在AC/DC电压源16与测量装置11之间与两线测量装置11串联。经负载1流入到测量装置11中的电流由整流器2整流，其中，在该示例中，整流器2尤其被构造为桥式整流器。该构造用于供给直流电路12，其中，在直流电路12中流动的电流经由开关3流动。在实施例的该示例中，开关3是场效应晶体管3，其中，参照电流流向，其漏极14放置在源极15前面。场效应晶体管3的栅极13受到微控制器9的控制。微控制器9将时钟信号T发送至场效应晶体管3的栅极13，场效应晶体管3使得直流电路12的电流以时钟脉冲流动。因此，操作周期被设定，并且测量装置11被供给有预定的功率。

时钟信号T经由常闭开关10供给至晶体管3的栅极13。在本发明的意义上，常闭开关10是在正常状态下可以使输入信号或电压通过的开关。在图1中的正常状态下常闭开关10使通过微控制器9输出的时钟信号T通过。因此，开关3借助于时钟信号T受到微控制器9的控制。

二极管4连接到直流电路12中的点K_A，点K_A参照开关3的流向是在前面。二极管4布置成使得其阴极K_A连接到直流电路12。二极管4的阳极连接到电路布置中的节点K_N。电压源6a以及到常闭开关10的路径P1连接到该节点K_N。到常闭开关10的路径P1用于控制常闭开关10。对于节点K_N上的或路径P1上的电压保持低于预定阈值S的情况，常闭开关10保持处于正常状态下，并且使时钟信号T通过。如果节点K_N上的和路径P1上的电压超过该阈值S，则常闭开关10不再使时钟信号T通过。

电压源6a被实现为使得它输出恒定电压。该电压大于阈值S，或大于为了使常闭开关10摆脱其正常状态所需的电压。

在电路布置的正常操作中，二极管4和电压源6a不应对开关3和直流电路12的正常操作有影响。为了确保这一点，常闭开关10被选择使得阈值S高于二极管4的导通状态压降。通常，二极管4的导通状态压降相当于约0.7V。

由于负载1的大欧姆阻抗，在电路布置的正常操作中，存在跨开关3的小压降。因此，二极管4是导通的，并且节点K_N上的电压受到二极管4的导通状态电压的限制。因此，常闭开关10未摆脱正常状态。

如较早已经提及的，当不存在负载1或当横跨负载1出现短路时，过电流产生。独立于过大电流的原因，该过电流状态达到的效果是，开关3被供应高电压。当开关3被供应高电压时，二极管4是不导通的。作为这种情况的结果，节点K_N上的电压不再受到二极管4的导通状态压降的限制。由于电压源6a为节点K_N供应比常闭开关10的阈值S更高的电压，所以常闭开关10立即切换，使得没有时钟信号T通过。因此，开关3立即断开并且被保护免受过电流可能引起的损害。

图2以框图形式示出本发明的电路布置的实施例的第二示例，与图1所示的实施例的示例一样，该第二示例具有负载1、整流器2和开关3，开关3优选是场效应晶体管3。如图1，时钟信号T由微控制器9产生。与图1所示的实施例的示例不同，图2中的时钟信号T不经由常闭开关10而是代替地经由逻辑元件8被供给至场效应晶体管3的栅极13，其中，逻辑元件8优选为与非门。

此外，实施例的有利的示例包括二极管4，其中二极管4的阳极现在被连接到比较器5的第一输入E1。比较器5具有第二输入E2，第二输入E2被供应有电压源6b的预定阈值S。

两条路径P7、P9也连接到二极管4的阳极或连接到比较器5的第一输入E1。这两条路径中的一条路径P7通向滤波器元件7。滤波器元件7与微控制器9的输出G2连接。因此，由微控制器9产生的时钟信号供给至滤波器元件7。跨滤波器7的电压因此受到时钟信号T的控制。

此外，在微控制器9与二极管4的阳极或与比较器5的第一输入E1之间存在路径P9。图2中的路径P9可以被称为“复位短路”。

比较器5的输出G1与逻辑元件8连接。输出G1具有依赖于比较器5的状态的电压，其中，比较器5的状态或高或低。如果比较器5处于低状态下，其输出G1具有低电压，例如，无电压。如果比较器5处于高状态下，则输出G1具有高电压。

图2所示的电路布置功能如下。在正常操作中，比较器5处于低状态下，并且低电压被输出至逻辑元件8。这种情况持续，只要二极管4的阳极上的电压或比较器5的第一输入E1上的电压不超过比较器5的第二输入E2的阈值S。当然，第二输入E2的阈值S被预定为使得它大于在正常操作中在第一输入E1上存在的电压。该规范可以例如通过对电压源6b的匹配选择或在分压器的辅助下来确保。在正常操作中，比较器5的第一输入E1上的电压受到导通状态压降的限制，与图1一样。这意味着置于比较器5的第一输入E1上的经滤波的时钟信号T总是在例如0.7V下被切断。

在过电流的情况下，二极管4阻断。置于二极管4的阳极上的电压不再受到二极管4的导通状态压降的限制，而是替代地被其它电路元件确定。首先，第一输入E1上的电压依赖于经滤波的时钟信号T。比较器5进一步执行对第一输入E1的电压和第二输入E2上的电压进行比较。如果二极管4阻断，则第一输入E1上的电压与来自滤波器元件7的经滤波的时钟信号T完全相同。在过电流状态期间，一旦存在第一个时钟脉冲，比较器5就检测到第一输入E1上的电压超过阈值S，或超过第二输入E2上的电压。作为这种情况的结果，比较器5从低状态转移到高状态，使得比较器5的输出G1立即具有高电压。归因于反馈(未示出)，比较器5然后也保持处于高状态下。高电压转到逻辑元件8的输入E3。由于该高电压，逻辑元件8阻断来自微控制器9的时钟信号T。作为这种情况的结果，开关3断开，并且开关3以及测量装置11的其它部件因此被保护免于过高的电流。

逻辑元件8包括输出G3，输出G3与微控制器9连接。图2示出被称为“状态短路”的该路径P2。当存在过电流状态时，比较器5将高电压输出到逻辑元件8。在过电流的情况下，信号从逻辑元件8经由逻辑元件8与微控制器9之间的“状态短路”路径P2被传输至微控制器9。之后，在微控制器9将信号经由“复位短路”路径P9输出到比较器5的第一输入E1之前，微控制器9等待预定数量的时钟脉冲。在图2中所示的实施例的示例中，该信号直接输出到开关(未示出)优选地场效应晶体管。开关(未示出)短时间提供从比较器5的第一输入E1到地的路径。当比较器5的第一输入E1被切换至地时，第一输入E1上的电压被拉回到低于比较器5的阈值S。然后，比较器5的输出G1再次具有低电压，并且逻辑元件8使时钟信号T通过。如果过电流仍然存在，则一旦接下来的时钟脉冲t_N到开关3上，二极管4再次堵塞。如已经描述的，时钟信号T再次被逻辑元件8阻断。

可以以三个方法步骤描述该过程。在步骤1)中，逻辑元件8将“状态短路”信号发送至微控制器9。在步骤2)中，微控制器9等待预定数量的时钟脉冲。在步骤3)中，微控制器9将“复位短路”信号输出到比较器5的第一输入E1。

如果上述方法步骤执行至少一次，优选三次，则微控制器9不再输出“复位短路”信号。在这种情况下，有利的是，在临时产生的且可校正的错误的情况下，装置可以进一步起作用。如果微控制器9不再输出“复位短路”信号，则时钟信号T借助于逻辑元件8永久地断开。优选地，微控制器9然后输出错误报告。例如，微控制器9可以经由电路(未示出)激活红色的发光二极管(即，“LED”)。

图3以框图形式示出本发明的电路布置的实施例的第三示例。与图2中所示的实施例的示例不同，在图3中，来自微控制器9的路径P9“复位短路”连接到逻辑元件8。在这样的情况下，“复位”功能直接被构建到逻辑元件8。例如，“复位短路”路径P9可以连接到逻辑元件8中的单稳态触发器(即，单稳多谐振荡器)。

现在将基于图4a-d中所呈现的时钟信号T的示意性表征更详细地描述图2和图3中所示的电路布置的操作，其中，针对如图2中所示电路布置中的四个不同的采样位置A、B、C、D示出时钟信号T的不同的信号形式。

在时间点T₀，电路布置处于正常操作。图4a示出二极管4的阳极上的电压的表征。二极管4的阳极上的电压受到二极管4的导通状态压降的限制。因此，二极管的阳极上的电压被阻止超过在图4中被示出为虚线的阈值S。

图4b示出经滤波的时钟信号T_F作为来自滤波器元件7的输出。经滤波的时钟信号T_F置于二极管的阳极上，其中，它受到二极管4的导通状态压降的限制。

由微控制器9提供的时钟信号T为矩形脉冲序列并且在图4c中被示出。逻辑元件8可以使时钟信号T通过，使得同一个信号转到开关3。到达开关3的信号在图4d中示出。

在时间点T1处，在图2和图3中所示的直流电路12中发生过电流状态。二极管4阻断。经滤波的时钟信号T_F保持不变。这在图4b中示出。

图4a示出，二极管4的阳极上的电压或信号形式然后受到经滤波的时钟信号T_F的控制。电压遵循经滤波的时钟信号T_F的信号形式。电压超过比较器5的阈值S。

图4c中所示的时钟信号T保持不变。如上文已经描述的，时钟信号T可以不再通过逻辑元件8。如图4d中所示，在这种情况下，在开关3上不再存在时钟脉冲。因此，电流不再流入直流电路12中，并且电路布置的部件被保护免受过电流。

附图标记列表

1–负载

2–整流器

3–开关

4–二极管

5–比较器

6a、6b–第一电压源、第二电压源

7–滤波器元件

8–开关元件/逻辑元件

9–时钟信号发生器/微控制器

10–开关元件/常闭开关

11–测量装置

12–直流电路

13–栅极

14–源极

15–漏极

16–AC/DC电压源

K_A–二极管的阴极

A/K_N/E₁–取样点/二极管的阳极/比较器的第一输入

E₂–比较器的第二输入

G₁/E₃–比较器的输出/逻辑元件的输入

G₂–微控制器的输出

G₃–逻辑元件的输出

P2–状态短路路径

P7–来自滤波器的路径

P9–复位短路保护路径

T–时钟信号

T_F–经滤波的时钟信号

T_N–时钟脉冲

B、C、D–采样点

S–阈值

Claims

1.一种电路布置，所述电路布置用于保护两线电流环路中的至少一个部件(3)，所述两线电流环路与负载(1)一起串联连接至AC/DC电流源(16)，其中所述两线电流环路具有整流器(2)、时钟信号发生器(9)和开关(3)，其中所述整流器(2)形成直流电路(12)，其中所述开关(3)连接在所述直流电路(12)中，并且其中所述时钟信号发生器(9)将时钟信号(T)输出至所述开关(3)用于对所述直流电路(12)计时，其特征在于，

所述电路布置具有二极管(4)，其中所述二极管(4)的导通方向从所述二极管(4)的阳极(K_N)指向所述二极管(4)的阴极(K_A)，所述二极管(4)的所述阴极(K_A)连接到所述直流电路(12)，所述二极管(4)的所述阳极(K_N)被供应有来自第一电压源(6a)的周期性的或恒定的电压，所述电压至少周期性地大于预定阈值(S)，并且所述电路布置具有至少一个开关元件(10、8)，所述至少一个开关元件(10、8)用于接通或断开所述时钟信号(T)，其中所述开关元件(10、8)根据所述二极管(4)的所述阳极(K_N)具有的所述电压与所述阈值(S)之间的比较结果使所述时钟信号(T)通过或阻断所述时钟信号(T)。

2.根据权利要求1所述的电路布置，其特征在于，所述第一电压源(6a)被实施为时钟信号发生器(9)。

3.根据权利要求1所述的电路布置，其特征在于，所述二极管(4)的所述阳极(K_N)连接到比较器(5)的第一输入(E1)，并且可调节第二电压源(6b)连接到所述比较器(5)的第二输入(E2)。

4.根据权利要求3所述的电路布置，其中，所述可调节第二电压源(6b)包括分压器。

5.根据权利要求3所述的电路布置，其特征在于，所述比较器(5)的输出(G₁)与所述开关元件(8)连接，并且其中所述开关元件(8)是逻辑元件(8)。

6.根据权利要求5所述的电路布置，其特征在于，所述逻辑元件(8)的输出(G₃)与微控制器(9)相连接，其中所述微控制器(9)基于所述逻辑元件(8)的输出信号检测所述直流电路(12)中的过电流状态。

7.根据权利要求6所述的电路布置，其特征在于，半导体开关连接在所述二极管(4)的所述阳极(K_N)与地之间，其中所述微控制器(9)控制所述半导体开关，使得所述比较器(5)的所述第一输入(E1)上的所述电压短时间低于所述阈值(S)。

8.根据权利要求1或2所述的电路布置，其特征在于，所述时钟信号发生器(9)被集成到所述控制器(9)中或被实施为单独的微控制器单元。

9.根据权利要求1或2所述的电路布置，其特征在于，所述时钟信号(T)经由滤波器元件(7)置于所述二极管(4)的所述阳极(K_N)上。

10.根据权利要求3所述的电路布置，其特征在于，在所述比较器(5)的所述输出(G₁)与所述比较器(5)的所述第一输入(E₁)之间提供反馈，其中所述反馈具有反馈二极管，所述反馈二极管用于将所述比较器(5)的所述第一输入(E1)上的所述电压保持高于所述阈值(5)。