CN115150210B - 补偿电阻公差的装置和连接通信设备的线路驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种补偿电阻公差的装置和连接通信设备的线路驱动器。该装置(R1)尤其设置为在用于通信设备的线路驱动器中使用，并且包括存在公差的保险装置(F)、与保险装置(F)串联连接的第一电阻(RS)和与保险装置(F)以及第一电阻(RS)并联连接的第二电阻(RP)。在预定的环境温度下，该装置(R1)具有对应于期望的总电阻的电阻。根据在故障状态下输入到装置中的功率和/或根据装置的电阻的预定的公差，第二电阻(RP)是第一电阻(RS)的倍数。

Description

补偿电阻公差的装置和连接通信设备的线路驱动器
技术领域
本发明涉及一种补偿用于电路的保险装置的电阻公差的装置和包括这种装置的线路驱动器，用于通信设备的连接，特别是用于双线以太网总线系统的通信设备在工业自动化系统中的连接。线路驱动器可以集成到通信设备中，或者设计为没有集成线路驱动器的通信设备的外部组件。
背景技术
工业自动化系统通常包括大量经由工业通信网络相互联网的自动化设备，并在制造或过程自动化的环境中用于控制或调节设施、机器或设备。由于工业自动化系统中对时间要求严格的框架条件，诸如PROFINET、过程现场总线(PROFIBUS)、实时以太网或时间敏感网络(TSN)等实时通信协议主要用于自动化设备之间的通信。控制服务或控制应用尤其可以自动化并根据工作负载分布到工业自动化系统的当前可用服务器或虚拟机上。
工业自动化系统或自动化设备中的计算机单元之间的通信连接的中断可能导致不期望的或不必要的服务请求的传输的重复。此外，未传输或未完全传输的消息可以例如阻止工业自动化系统转变到或保持在安全的运行状态。
当用于传输具有实时要求的数据流或数据帧的网络资源被竞争性地用于具有大量用户数据内容而没有特殊服务质量要求的数据帧的传输时，基于以太网的通信网络中可能会出现问题。最终，这可能导致具有实时要求的数据流或数据帧未按照请求或要求的服务质量进行传输。
以太网高级物理层(Ethernet APL)是OSI第1层扩展，它特别考虑了过程工业的要求。在此，特别是远距离高速通信以及双线电缆和用于在潜在爆炸的区域内安全运行的和保护措施很重要。在开关和现场设备的输出端或输入端处分别设置电子电路作为用于实现本质安全的屏障。这种类型的电路防止可燃电能进入接口。特别是，在潜在爆炸的区域内运行的设备必须通过根据IEC60079系列标准的防护等级被保护。由此确保了即使在发生多个故障的情况下，爆炸性环境自身也不会被热的表面或火花的产生点燃。这通过安全地限制设计为本质安全的转换电路中的电压和电流来完成。
保险丝通常用于限制电流或功率，特别是当要限制的电流导致高损耗或应仅使用低阻值的电阻时。然而，与电阻相比，保险装置具有较高的冷电阻公差和较高的温度系数。尤其是当具有限定终端电阻的信号线要由保险装置保护时，问题在于终端电阻严重依赖于相应批次的保险装置和环境温度。为了避免信号传输系统中的不匹配，相应的总电阻不得超过预定的公差，因为否则有时无法进行通信或不满足用于验证试验的条件。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种装置，该装置包括保险装置，并且尽管保险装置的冷电阻公差和温度系数适用于可靠的功率匹配或电流限制，特别是在潜在爆炸的环境中，以及提出一种用于将本发明集成到通信设备中的合适解决方案。
根据本发明，该目的通过具有本发明中特定特征的装置和具有本发明中特定特征的线路驱动器来实现。
根据本发明的用于补偿电路的保险装置的电阻公差的装置包括存在公差的保险装置和与保险装置串联连接的第一电阻。第二电阻与保险装置和第一电阻并联连接。
根据本发明，在预定的环境温度下，该装置具有对应于期望的总电阻的电阻。在此，根据在故障状态下输入到装置中的功率或根据装置的电阻的预定的公差，第二电阻是第一电阻的倍数。以这种方式，尤其可以通过将第二电阻设计为与第一电阻相比具有相应的高阻值来补偿保险装置的高的电阻公差。另一方面，如果第一电阻和第二电阻具有相似的规格等级，则可以在发生故障的情况下实现在潜在爆炸的环境中对设备的期望的低的功率输入。通常，借助于第二电阻打开并联支路会导致总电阻公差的显著降低。
在预定的环境温度下，保险装置的相对保险装置的电阻的公差至少为5％。预定的环境温度优选为25℃。特别地，保险装置在预定的温度范围内可以具有至少20％的相对保险装置的电阻的公差。预定的温度范围例如至少包括-40℃到80℃之间的范围。在上述情况下，打开与第二电阻的并联支路对于补偿保险装置的电阻公差特别有效，特别是与选择成本增加的具有相对较低电阻公差的保险装置相比。这也特别适用于，如果保险装置在预定的温度范围内具有每开尔文0.4％或更高的温度系数。
在预定的温度范围内，如果第一电阻或第二电阻相对于它们相应的电阻或其电阻具有最大0.1％的公差，则打开与第二电阻的并联支路对于补偿保险装置的电阻公差也证明是特别有利的。在这种情况下，可以在预定的环境温度下令人满意地弥补保险装置在超过5％范围内的较高电阻公差。
根据本发明的优选的设计方案，根据在保险装置熔断时输入到装置中的功率来预定第二电阻。因此，该装置特别适用于潜在爆炸的环境。此外，如果第二电阻的电阻值至少是第一电阻的十倍，则可以非常有效地补偿保险装置的高的电阻公差。
根据本发明的线路驱动器适用于将包括PHY端口装置的通信设备连接到双线以太网总线系统，并且包括根据前述设计方案的装置。在此，线路驱动器具有桥式整流器，其包括总线侧的两个接口和设备侧的两个接口。另外，线路驱动器包括可与通信设备的PHY端口装置的第一发送单元连接的第一高通滤波器装置和可与通信设备的PHY端口装置的第二发送单元连接的第二高通滤波器装置。在此，第一高通滤波器装置和第二高通滤波器装置分别包括根据前述设计方案的装置。线路驱动器尤其可以设计为集成到通信设备中的线路驱动器。可替换的，对此设计为外部设备的实施方案也是可行的。
附图说明
下面参考附图在实施例处更详细地解释本发明。图中示出：
图1示出了用于装置的电阻网络，该装置用于补偿电路的保险装置的电阻公差，
图2示出了用于双线以太网总线系统的通信设备，该设备设计用于高数据传输速率同时具有高供给功率。
具体实施方式
图1所示的用于补偿电阻公差的电阻网络R1除了存在公差的保险装置F之外，还包括与保险装置串联连接的第一电阻RS以及与保险装置F和第一电阻RS并联连接的第二电阻RP。在预定的环境温度下，例如25℃，电阻网络R1具有对应于期望的总电阻的电阻。
在本实施例中，保险装置F在预定的环境温度下具有至少5％的相对保险装置的电阻的公差。在预定的温度范围内，例如从-40℃到80℃，保险装置F具有至少20％的相对保险装置的电阻的公差。在没有补偿的情况下，这将导致包括保险装置F的电阻网络的电阻存在显著的公差，特别是当保险装置在预定的温度范围内具有每开氏度0.4％或更高的温度系数时。
根据在故障状态下输入到电阻网络R1的功率或根据电阻网络R1的电阻的预定公差选择第二电阻RP，并且第二电阻RP是第一电阻RS的倍数。优选地，根据保险装置F在熔断时输入到电阻网络R1的功率预定第二电阻RP，从具有至少5％的而第一电阻RS可以设计为相应低阻值的。在此，第二电阻RP例如可以具有至少十倍于第一电阻RS的电阻值。在预定的温度范围内，第一电阻RS或第二电阻RP相对于它们各自的电阻具有最大0.1％的公差的设计，被证明对于电阻网络R1的电阻的低公差是特别有利的。
通过将保险装置F与并联和串联电阻相结合，可以在电阻网络R1内有效且高效地补偿保险装置F的电阻的公差。这在下面根据一些数例进行说明。
例如，如果在预定的环境温度(25℃时为3.75欧姆±33.3％)下使用电阻在2.5欧姆与5欧姆之间的保险装置F，并且保险装置F的温度系数为每开氏度0.6％，则保险装置F的电阻在-40℃至105℃的整个温度范围内介于1.04欧姆与6.8欧姆之间。在整个温度范围内，这对应于3.92欧姆±73.5％。例如，如果信号线需要50欧姆的终端电阻，则保险装置F的电阻的公差可以利用46.25欧姆(50欧姆-3.75欧姆)的第一电阻RS和±1％的公差在整个温度范围内已经在有限程度上得到补偿。在这种情况下，在批次和温度范围内，得出总电阻在46.83欧姆(1.04欧姆+46.25欧姆*99％)与53.51欧姆(6.8欧姆+46.25欧姆*101％)之间。在整个温度范围内，这对应于50欧姆±7.02％的总电阻。
如果第二电阻RP附加地与由保险装置F和第一电阻RS组成的串联电路并联使用，则实现对保险装置F的电阻的公差的广泛的补偿。例如，如果使用52欧姆±1％(在整个温度范围内)的第一电阻RS和510欧姆±1％(在整个温度范围内)的第二电阻RP，则得到47.57欧姆(1/(1/510欧姆*99％+1/(52欧姆*99％+1.04欧姆)))的最小总电阻以及53.19欧姆(1/(1/510欧姆*101％+1/(52欧姆*101％+6.8欧姆))的最大总电阻。在整个温度范围内，这对应于50.26欧姆±5.85％的总电阻。与保险装置F和第一电阻RS组成的串联电路相比，这使得总电阻的公差降低1.18％。此外，在保险装置F通过510欧姆的第二电阻RP熔断的情况下，在潜在爆炸的环境中用于电流或功率限制的总电阻保持足够高。
在使用47.5欧姆±1％(在整个温度范围内)的第一电阻RS和2千欧姆±1％(在整个温度范围内)的第二电阻RP的情况下，总电阻的公差增加到±6.72％。对此，在保险装置F熔断的情况下，输入到电阻网络R1的功率减少。相比之下，在使用71.5欧姆±1％的第一电阻RS和150欧姆±1％的第二电阻RP的情况下，总电阻的公差降低到±3.61％。然而，在这种情况下，在保险装置熔断时输入的功率增加。在每种情况下，必须权衡在故障状态或保险装置熔断时应允许多少输入到电阻网络R1的功率。相应地可以确定电阻网络R1的尺寸。
图1所示的电阻网络R1优选地用于根据图2的双线以太网总线系统的通信设备的线路驱动器中。在此，由保险装置F保护的低阻值的电阻分别由电阻网络R1形成，该低阻值的电阻包括第一高通滤波器装置H1或第二高通滤波器装置H2。两个高通滤波器装置H1-H2分别与通信设备的PHY接口设备PHY的第一或第二发送单元TX连接。此外，两个高通滤波器装置H1-H2分别具有高阻值的电阻R2和带有至少两个串联连接的电容器的电容器装置C。
在本实施例中，通信设备根据以太网高级物理层设计并且具有桥式整流器，该桥式整流器包括四个整流二极管D1-D4、总线侧的两个接口B1-B2和设备侧的两个接口T1-T2。特别地，通信设备包括用于连接到双线以太网总线系统的多路复用的供电线处的总线输入端，其设计用于同时传输能量和数据。在此，总线输入端由桥式整流器的总线侧的接口B1-B2形成。
PHY端口装置PHY设置用于对通信设备与双线以太网总线系统之间交换的数据进行编码和解码。PHY端口装置PHY经由第一高通滤波器装置H1与二极管D的阴极连接并且经由第二高通滤波器装置H2与桥式整流器的第二装置侧的接口T2连接。特别地，PHY端口装置PHY为差分数据信号传输而设计，因此包括两个发送单元TX和两个接收单元RX。
根据上述实施方案，通过电阻网络分别形成的高通滤波器装置H1-H2的低阻值的电阻R1分别与发送单元TX和相应的电容器装置C连接。相反，高阻值的电阻R2分别与接收单元RX和相应的电容器装置C连接。第一高通滤波器装置H1的电容器装置C与二极管D的阴极连接，而第二高通滤波器装置H2的电容器装置C与桥式整流器的第二设备侧的接口T2连接。优选地，低阻值的电阻R1具有50欧姆的阻抗并且高阻值的电阻R2具有2-5千欧姆的阻抗。
根据图2，第一整流二极管D1的阳极与总线侧的第一接口B1连接，而第一整流二极管D1的阴极与设备侧的第一接口T1连接。与此类似，第二整流二极管D2的阳极与总线侧的第二接口B2连接，而第二整流二极管D2的阴极与设备侧的第一接口T1连接。此外，第三整流二极管D3的阴极与总线侧的第一接口B1连接，而第三整流二极管D3的阳极与设备侧的第二接口T2连接。此外，第四整流二极管D4的阴极与总线侧的第二接口B2连接，而第四整流二极管D4的阳极与设备侧的第二接口T2连接。
此外，通信设备包括电源PSU，其经由第一线圈L1与二极管D的阴极连接，二极管D的阳极连接到桥式整流器的设备侧的第一接口T1。电源PSU经由第二线圈L2与桥式整流器的设备侧的第二接口T2连接。电源PSU被设计为直流电源并且经由第一电源接口P1与第一线圈L1连接，而第二电源接口P2与第二线圈L2连接。用于电源PSU的低通滤波器装置由两个线圈L1-L2形成。在此，两个线圈L1-L2分别连接到电源PSU，而无需与它们并联连接的附加的续流二极管装置。
根据通信设备在双线以太网总线系统处的连接，通过第一整流二极管D1、二极管D和第四整流二极管D4，或者通过第二整流二极管D2、二极管D和第三整流二极管D3为两个线圈L1-L2形成了一个包括分别三个串联布置的二极管的续流二极管装置。优选地，桥式整流器设计用于本质安全的电路，并且根据IEC60079-11在要保护的电感处具有安全连接，即线圈L1-L2。
根据图中未明确示出的可替换的实施例变型，电源PSU经由第一线圈L1直接与桥式整流器的设备侧的第一接口T1连接而不是与二极管D连接。在这种情况下，二极管D在总线输入侧，而不是在设备侧连接到桥式整流器。在此，二极管D的阳极与通信设备的第一总线接口连接，而二极管的阴极与桥式整流器的总线侧的第一接口B1连接。在可替换的实施例变型中，桥式整流器的总线侧的第二接口B2形成通信设备的第二总线接口。在可替换的实施例变型中，通信设备的两个总线接口不能互换。
在本实施例中，集成到通信设备中的线路驱动器由桥式整流器、二极管D、第一线圈L1、第二线圈L2、第一高通滤波器装置H1和第二高通滤波器装置H2形成。原则上，这种线路驱动器也可以设计为外部的或单独的设备，并且用于升级现有的通信设备，以实现高数据传输率和同时高供电功率。即使在此类应用情况中，分配给电源的线圈也始终受到总共3个串联二极管的保护。

Claims (11)

1.一种用于补偿电路的保险装置的电阻公差的装置，所述装置具有：
-存在公差的保险装置(F)，
-与所述保险装置(F)串联连接的第一电阻(RS)，
-与所述保险装置(F)以及所述第一电阻(RS)并联连接的第二电阻(RP)，
-其中，所述装置在预定的环境温度下具有对应于期望的总电阻的电阻，
-其中，根据在故障状态下输入到所述装置中的功率和/或根据所述装置的所述电阻的预定的公差，来选择所述第二电阻(RP)，且所述第二电阻(RP)是所述第一电阻(RS)的倍数。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述保险装置(F)在所述预定的环境温度下具有至少5％的相对保险装置的电阻的公差。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述保险装置(F)在预定的温度范围内具有至少20％的相对保险装置的电阻的公差。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述保险装置(F)在所述预定的温度范围内具有每开氏度至少0.4％的温度系数。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，在所述预定的温度范围内，所述第一电阻(RS)和/或所述第二电阻(RP)相对于所述第一电阻和所述第二电阻的相应的电阻或者相对于所述第一电阻或所述第二电阻具有最大0.1％的公差。
6.根据权利要求3中任一项所述的装置，其中，所述预定的温度范围至少包括-40℃到80℃之间的范围。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述预定的环境温度为25℃。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，根据在所述保险装置(F)熔断时输入到所述装置中的功率预定所述第二电阻(RP)。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二电阻(RP)相对于所述第一电阻(RS)具有至少十倍的电阻值。
10.一种用于通信设备的线路驱动器，所述通信设备包括PHY端口装置，其中，所述线路驱动器包括：
-桥式整流器，所述桥式整流器包括两个总线侧的接口(B1-B2)和两个设备侧的接口(T1-T2)，
-能够与所述通信设备的所述PHY端口装置(PHY)的第一发送单元(TX)连接的第一高通滤波器装置(H1)，
-能够与所述通信设备的所述PHY端口装置(PHY)的第二发送单元(TX)连接的第二高通滤波器装置(H2)，
-其中，所述第一高通滤波器装置(H1)和所述第二高通滤波器装置(H2)分别包括根据权利要求1至9中任一项所述的装置。
11.根据权利要求10所述的线路驱动器，其中，所述线路驱动器设计为集成到通信设备中的线路驱动器。
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