DE10145520B4

DE10145520B4 - Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Zweidrahtsensors

Info

Publication number: DE10145520B4
Application number: DE10145520A
Authority: DE
Inventors: Ralf Körnle; Jürgen Motzer; Albert WÖHRLE
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2021-09-15
Also published as: US6717416B2; DE10145520A1; US20030052705A1

Abstract

Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Zweidrahtsensors (2), der über eine erste Verbindungsleitung (V1) in der ein Spannungsregler (SR) mit einem Ausgang und einen Stelleingang liegt, und eine zweiter Verbindungsleitung (V2) an eine Versorgungsspannungsquelle (U) angeschlossen ist, wobei der Ausgang des Spannungsreglers (SR) über mindestens eine Begrenzungsdiode (D1) mit der zweiten Verbindungsleitung (V2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in eine der beiden Verbindungsleitungen (V1) zwischen dem Zweidrahtsensor (S) und einem Verbindungspunkt, an dem der Ausgang des Spannungsreglers (SR) und die eine Begrenzungsdiode (D1) liegt, ein Strombegrenzungswiderstand (R1) geschaltet ist, dass der Ausgang des Spannungsreglers (SR) über eine Reihenschaltung aus der ersten Begrenzungsdiode (D1) und einer hierzu antiseriell geschalteten, zweiten Begrenzungsdiode (D2) mit der zweiten Verbindungsleitung (V2) verbunden ist, und dass ein gemeinsamer Knoten der ersten und zweiten Begrenzungsdiode (D1, D2) mit dem Stelleingang des Spannungsreglers (SR) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Zweidrahtsensors gemäß dem Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Eine solche Schaltungsanordnung ist z.B. aus der DE 36 15 463 A1 bekannt. Allerdings ist dort ein Messwandler vorgesehen, welcher den Sensor selbst in die Regelung zur Stromversorgung miteinbezieht.

Eine weitere Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Zweidrahtsensors ist aus der DE 691 29 189 T2 bekannt. Die Schaltungsanordnung sieht ein Ein- und Ausschalten der Spannungsversorgung vor, je nachdem, ob der Sensor in Betrieb ist oder nicht.

Ein Zweidrahtsensor ist aus einem Sensorelement, das eine physikalische Größe wie z. B. die Temperatur, den Druck oder die Feldstärke eines Magnetfeldes misst, und elektronischen Bauteilen zur Verarbeitung der vom Sensorelement gelieferten Signale aufgebaut. Sowohl die Stromversorgung als auch die Weiterleitung der gemessenen und verarbeiteten Messsignale erfolgt über nur zwei Leitungen, worauf der Name Zweidrahtsensor zurückzuführen ist. Ein Zweidrahtsensor hat deshalb nür zwei Anschlüsse, die gleichzeitig der Stromversorgung und der Weiterleitung der gemessenen und verarbeiteten Messsignale dienen.

Zweidrahtsensoren, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden, sind zur Verhütung von Explosionen mit einer Schaltungsanordnung zur Strom- und Spannungsbegrenzung – einer sogenannten elektrischen Barriere – ausgerüstet. Zum Schutz vor möglicherweise eine Zündung auslösenden Überspannungen sind die beiden Verbindungsleitungen über mindestens eine Begrenzungsdiode miteinander verbunden. Zum Schutz des Sensors vor zu hohen Strömen, die eine zu grosse Erwärmung im Sensor hervorrufen könnten, wird in die Leitung nach der Begrenzungsdiode ein Serienwiderstand eingesetzt. Zum Schutz der Begrenzungsdiode vor zu hohen Spannungen ist in der einen Verbindungsleitung beispielsweise ein Spannungslängsregler eingefügt, dessen Ausgangsspannung im Betrieb immer kleiner als die Begrenzungsspannung der Begrenzungsdiode sein muss.

Mit einer sogenannten HART^®-Schnittstelle ausgerüstete Zweidrahtsensoren erfordern jedoch einen sogenannten HART^®-Widerstand vorgeschriebenen Wertes in einer der beiden von der Versorgungsspannungsquelle zum Zweidrahtsensor führenden Verbindungsleitungen. Dieser zusätzliche Längswiderstand in einer der beiden Verbindungsleitungen kann bei stark belastetem Zweidrahtsensor dazu führen, dass die Versorgungsspannung für einen fehlerfreien Betrieb des Zweidrahtsensors nicht mehr ausreicht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Zweidrahtsensors so zu gestalten, dass einerseits Überspannungen und Überströme sicher vermieden werden, andererseits aber stets eine für einen fehlerfreien Betrieb ausreichende Versorgungsspannung zur Verfügung steht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen dadurch, dass der gemeinsame Verbindungspunkt der zwei Begrenzungsdioden mit dem Steuereingang des Spannungslängsreglers verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Maßnahme, die Stellgröße für den Spannungslängsregler an einem Abgriff der als Spannungsteiler wirkenden Reihenschaltung aus den Begrenzungsdioden abzunehmen, hat den Vorteil, dass die Begrenzungsspannung wesentlich kleiner gewählt werden kann als bei den bisher bekannten elektrischen Barrieren. Wegen der geringeren Begrenzungsspannung lassen sich die Längswiderstande, insbesondere der Strombegrenzungswiderstand, in den Verbindungsleitungen von der Versorgungsspannungsquelle zum Zweidrahtsensor ebenfalls kleiner dimensionieren, so dass auch der durch den Versorgungsstrom für den Zweidrahtsensor verursachte Spannungsverlust – der Spannungsabfall an den Längswiderständen – verringert wird. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung erzeugt wegen der geringeren Spannungsverluste daher für den Zweidrahtsensor trotz gleicher Versorgungsspannungsquellen eine höhere Versorgungsspannung als bekannte elektrische Barrieren.

Die Erfindung wird anhand der Figuren nun näher beschrieben und erläutert.

In der Zeichnung zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung und
2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispieles der der Erfindung.
In der 1 ist ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung abgebildet.
Der eine Pol einer Versorgungsspannungsquelle U ist über einen HART®-Widerstand RH mit dem Eingang eines Spannungslängsreglers SR verbunden, dessen Spannungsausgang über einen Strombegrenzungswiderstand R1 mit dem einen Eingang eines Zweidrahtsensors S verbunden ist. Der HART^®-Widerstand, der Spannungslängsregler SR und der Strombegrenzungswiderstand R1 liegen in einer ersten Verbindungsleitung V1, während der zweite Pol der Versorgungsspannungsquelle U über eine zweite Verbindungsleitung V2 mit dem anderen Eingang des Zweidrahtsensors S verbunden ist. Der Reglerausgang des Spannungslängsreglers SR ist über eine Reihenschaltung aus zwei Begrenzungsdioden D1 und D2 mit der zweiten Verbindungsleitung V2 verbunden. Der gemeinsame Knoten der beiden Begrenzungsdioden D1 und D2 ist mit dem Steuereingang des Spannungslängsreglers SR verbunden. Die beiden Begrenzungsdioden D1 und D2 können gleich oder entgegengesetzt gepolt sein.
Wenn die Spannung am Ausgang des Spannungslängsreglers SR größer wird als die Begrenzungsspannung der Begrenzungsdioden, fließt ein Strom durch die beiden Begrenzungsdioden D1 und D2, so dass das Potential am Steuereingang des Längsspannungsreglers SR auf das Potential am anderen Pol der Versorgungsspannungsquelle U gezogen wird, der zum Beispiel auf Masse liegt. Der Spannungsregler SR regelt die Spannung an seinem Ausgang daher auf einen kleineren Wert, wodurch der Strom durch die beiden Begrenzungsdioden D1 und D2 wieder auf einen Reststrom I abfällt, der jedoch vernachlässigbar klein ist.
In der 2 ist ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gezeigt.
Der eine Pol einer Versorgungsspannungsquelle U ist über eine Reihenschaltung aus einem HART^®-Widerstand RH, der Drain – Source- Strecke eines Feldeffekttransistors T1 und über einen Strombegrenzungswiderstand R1 mit dem einen Eingang eines Zweidrahtsensors S verbunden. Der HART^®-Widerstand RH, die Drain – Source – Strecke des Feldeffekttransistors T1 und der Strombegrenzungswiderstand R1 liegen in einer ersten Verbindungsleitung V1. Der andere Pol der Versorgungsspannungsquelle U ist über eine zweite Verbindungsleitung V2 mit dem anderen Eingang des Zweidrahtsensors S verbunden. Die Source – Elektrode des Feldeffekttransistors T1 ist über eine Reihenschaltung aus zwei Begrenzungsdioden D1 und D2 mit der zweiten Verbindungsleitungen V2 verbunden. Parallel zu dieser Reihenschaltung können zwei weitere Reihenschaltungen gleichen Aufbaus mit je zwei weiteren Begrenzungsdioden D3, D4, D5 sowie D6 vorgesehen sein. Die Gate – Elektrode des Feldeffekttransistors T1 ist über einen Widerstand R2 mit der Source – Elektrode verbunden. Außerdem ist die Gate – Elektrode des Feldeffekttransistors T1 über einen Widerstand R3 mit dem Kollektor eines Transistors T2 verbunden, dessen Emitter mit der zweiten Verbindungsleitung V2 verbunden ist.
Die Verbindungspunkte der Begrenzungsdioden D1 bis D6 bilden einen gemeinsamen Knoten, der mit der Basis des Transistors T2 verbunden ist. Die in Reihe geschalteten Begrenzungsdioden D1 und D2, D3 und D4 sowie D5 und D6 können gleich oder entgegengesetzt gepolt sein.
Die Funktion des zweiten in 2 dargestellten Ausführungsbeispieles entspricht der des ersten Ausführungsbeispieles aus 1. Der Feldeffekttransistor T1 und der Transistor T2 stellen den Spannungslängsregler SR dar. Solange an der Source – Elektrode des Feldeffekttransistors T1 keine Überspannung auftritt, sperren die Begrenzungsdioden D1 bis D6. Es fließt lediglich der bereits beim ersten Ausführungsbeispiel erwähnte Reststrom I, der jedoch vernachlässigbar klein ist. Übersteigt die Spannung zwischen der Source – Elektrode des Feldeffekttransistors T1 und der zweiten Verbindungsleitung V2 die Begrenzungsspannung, so werden die Begrenzungsdioden D1 bis D6 leitend, so dass ein Strom durch sie von der ersten Verbindungsleitung V1 zur zweiten Verbindungsleitung V2 fließt. Weil die Basis des Transistor T2 an den gemeinsamen Knoten der Begrenzungsdioden D1 bis D6 angeschlossen ist, wird der Transistor T2 leitend, so dass die Gate – Elektrode des Feldeffekttransistors T1 auf das Potential am anderen Pol der Versorgungsspannungsquelle U gezogen wird. Weil der Feldeffekttransistor deshalb sperrt, sinkt die Spannung zwischen seiner Source – Elektrode und der zweiten Verbindungsleitung V2 wieder unter den Wert der Begrenzungsspannung. Die Begrenzungsdioden D1 bis D6 werden daher bis auf den vernachlässigbar kleinen Reststrom I wieder stromlos, so dass der Transistor T2 wieder sperrt, während der Feldeffekttransistor T1 wieder zu leiten beginnt. Auf diese Weise wird die Versorgungsspannung für den Zweidrahtsensor S geregelt.
Wie bereits erwähnt lässt die Erfindung eine weit geringere Begrenzungsspannung als bisher bekannte elektrische Barrieren zu, was einen geringeren Strombegrenzungswiderstand erlaubt. Wegen des kleineren Strombegrenzungswiderstandes R1 sind die Spannungsverluste bei der Erfindung geringer als bei den bisher bekannten elektrischen Barrieren. Ein Vergleich zwischen der Erfindung und einer bekannten elektrischen Barriere zeigt, dass bei gleichen Versorgungsspannungsquellen bei der Erfindung eine größere Spannung für den Zweidrahtsensor zur Verfügung steht. Andererseits genügt bei gleichen Versorgungsströmen für den Zweidrahtsensor bei der Erfindung eine niedrigere Versorgungsspannung.

D1 – D6: Begrenzungsdioden
I: Reststrom
RH: HART^®-Widerstand
R1: Strombegrenzungswiderstand
R2-R4: Widerstand
S: Zweidrahtsensor
SR: Spannungslängsregler
T1: Feldeftekttransistor
T2: Transistor
U: Versorgungsspannungsquelle
V1: erste Verbindungsleitung
V2: zweite Verbindungsleitung

Claims

Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Zweidrahtsensors (2), der über eine erste Verbindungsleitung (V1) in der ein Spannungsregler (SR) mit einem Ausgang und einen Stelleingang liegt, und eine zweiter Verbindungsleitung (V2) an eine Versorgungsspannungsquelle (U) angeschlossen ist, wobei der Ausgang des Spannungsreglers (SR) über mindestens eine Begrenzungsdiode (D1) mit der zweiten Verbindungsleitung (V2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in eine der beiden Verbindungsleitungen (V1) zwischen dem Zweidrahtsensor (S) und einem Verbindungspunkt, an dem der Ausgang des Spannungsreglers (SR) und die eine Begrenzungsdiode (D1) liegt, ein Strombegrenzungswiderstand (R1) geschaltet ist, dass der Ausgang des Spannungsreglers (SR) über eine Reihenschaltung aus der ersten Begrenzungsdiode (D1) und einer hierzu antiseriell geschalteten, zweiten Begrenzungsdiode (D2) mit der zweiten Verbindungsleitung (V2) verbunden ist, und dass ein gemeinsamer Knoten der ersten und zweiten Begrenzungsdiode (D1, D2) mit dem Stelleingang des Spannungsreglers (SR) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweidrahtsensor (S) mit einer HART^®-Schnittstelle ausgerüstet ist und dass in einer der beiden Verbindungsleitungen (V1,V2) ein HART^®-Widerstand liegt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Pol der Versorgungsspannungsquelle (U) über den HART^®-Widerstand (RH), die Drain – Source – Strecke eines Feldeffekttransistors (T1) und den Strombegrenzungswiderstand (R1) mit dem einen Eingang des Zweidrahtsensors (S) verbunden ist, dessen anderer Eingang über die zweite Verbindungsleitung (V2) mit dem anderen Pol der Versorgungsspannungsquelle (U) verbunden ist, dass der HART^®-Widerstand (RH), die Drain – Source – Strecke des Feldeffekttransistors (T1) und der Strombegrenzungswiderstand (R1) in der ersten Verbindungsleitung (V1) liegen, dass die Source – Elektrode des Feldeffekttransistors (T1) über eine Reihenschaltung aus einer ersten und zweiten Begrenzungsdiode (D1, D2) mit der zweiten Verbindungsleitung (V2) verbunden ist, dass parallel zur zweiten Begrenzungsdiode (D2) ein erster Widerstand (R4) liegt, dass der gemeinsame Knoten der zweiten Begrenzungsdiode (D2) und des ersten Widerstandes (R4) mit der Basis eines Transistors (T2) verbunden ist, dessen Kollektor über einen zweiten Widerstand (R3) mit der Gate – Elektrode des Feldeftekttransistors (T1) verbunden ist und dessen Emitter an die zweite Verbin dungsleitung (V2) angeschlossen ist, und dass die Gate – Elektrode des Feldeffekttransistors (T1) über einen dritten Widerstand (R2) mit der Source – Elektrode verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zu jeder Begrenzungsdiode (D1, D2) mindestens je eine weitere Begrenzungsdiode (D3, D4, D5, D6) parallel geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Reihe geschalteten Begrenzungsdioden (D1 bis D6) entgegengesetzt gepolt sind.