DE102004036164A1

DE102004036164A1 - Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung

Info

Publication number: DE102004036164A1
Application number: DE200410036164
Authority: DE
Inventors: Bernd Strütt; Armin Wernet; Roland Dieterle
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2004-07-26
Filing date: 2004-07-26
Publication date: 2006-03-23

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung, mit mindestens einem Spannungseingang (1) und einem Spannungsausgang (2). Die Erfindung beinhaltet, dass mindestens eine erste Spannungsbegrenzungseinheit (10) mit mindestens einem Eingang (11) und einem Ausgang (12) vorgesehen ist, dass in der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) mindestens ein erster Schalter (21) zwischen dem Eingang (11) und dem Ausgang (12) vorgesehen ist und dass in der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) mindestens ein Spannungssensor (31) vorgesehen ist, welcher derartig ausgestaltet ist, dass er den ersten Schalter (21) in dem Fall öffnet, dass am Eingang (11) der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) eine Spannung (U) anliegt, die größer als ein vorgebbarer maximaler Spannungswert (Umax) ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung, mit mindestens einem Spannungseingang und einem Spannungsausgang. Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise Teil eines Gerätes zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße (z.B. Füllstand, Dichte, Viskosität, Durchfluss, pH-Wert, Temperatur usw.) eines Mediums sein.

Viele Messgeräte der Prozessmesstechnik werden in explosionsgefährdeten Anwendungen eingebaut und eingesetzt. Für eine entsprechende Qualifikation zum Einsatz in solchen Bereichen müssen verschiedene Maßnahmen getroffen werden. So müssen unter anderem Spannungspegel begrenzt werden, d.h. es dürfen keine Spannungen über einem vorgebbaren Maximalwert auftreten. Dies wird üblicherweise mit Z-Dioden realisiert. Z-Dioden begrenzen eine Spannung auf eine von der Ausgestaltung der Diode abhängige Zener-Spannung. Vor allem Z-Dioden mit niederen Zener-Spannungen (<10 V) haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Nähert sich die zu begrenzende Spannung der Zener-Spannung an, so fließen Leckströme bis zu mehreren 100 μA. In vielen Anwendungen ist es so, dass die Arbeitsspannung in der Nähe der Zener-Spannung liegt. Handelt es sich bei den Anwendungen um Niederstromanwendungen wie sie zum Beispiel durch 4...20 mA Zweidrahtgeräte gegeben sind, so führt diese Tatsache oft zu Problemen, da die Leckströme und die dadurch umgesetzte Leistung vom begrenzten Leistungsangebot, mit dem die Schaltung funktionieren muss, zu groß sind. Weiterhin haben Zener-Dioden in Bezug auf die Zener-Spannung üblicherweise große Toleranzen, was oft zu Problemen bei der Auslegung und Dimensionierung der Bauteile einer Schaltung führt.

Daher ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung anzugeben, welche auch bei geringen zu begrenzenden Spannungen sehr präzise ist und bei der Leckströme minimiert sind.

Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass mindestens eine erste Spannungsbegrenzungseinheit mit mindestens einem Eingang und einem Ausgang vorgesehen ist, dass in der ersten Spannungsbegrenzungseinheit mindestens ein erster Schalter zwischen dem Eingang und dem Ausgang vorgesehen ist, und dass in der ersten Spannungsbegrenzungseinheit mindestens ein Spannungssensor vorgesehen ist, welcher derartig ausgestaltet ist, dass er den ersten Schalter in dem Fall öffnet, dass am Eingang der ersten Spannungsbegrenzungseinheit eine Spannung (U) anliegt, die größer als ein vorgebbarer maximaler Spannungswert (Umax) ist. Die Idee ist also, dass mindestens eine Spannungsbegrenzungseinheit vorgesehen ist. Die Spannungsbegrenzungseinheit ist nun so ausgelegt, dass an ihren Ausgang nur solche Spannungen U gelangen, die unter einem vorgebbaren maximalen Spannungswert Umax liegen. Dieser maximale Spannungswert Umax kann je nach Art der Anwendung und den herrschenden Sicherheitsbedingungen eingestellt werden. Für diesen Zweck ist in der Spannungsbegrenzungseinheit mindestens ein erster Schalter zwischen dem Eingang und dem Ausgang geschaltet. Ein Spannungssensor überwacht die Spannung, die am Eingang anliegt und öffnet den Schalter stets dann, wenn die Spannung über dem maximalen Wert liegt. Somit wird also in diesem Fall stets die Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang unterbrochen. Es ist also nicht möglich, dass eine Spannung über dem maximalen Wert an den Ausgang gelangt. Es wird also zur Spannungsbegrenzung auf eine Zener-Diode mit den damit verbundenen Nachteilen verzichtet, indem das Öffnen eines Schalters das Überschreiten eines maximalen Spannungswerts verhindert. Damit lassen sich die Leckströme vermeiden und es entfällt auch die Toleranz der Zener-Spannungen und der damit verbundenen Schaltungsunsicherheit.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Spannungssensor derartig ausgestaltet ist, dass er den ersten Schalter in dem Fall schließt, dass am Eingang der ersten Spannungsbegrenzungseinheit eine Spannung (U) anliegt, die kleiner als der maximale Spannungswert (Umax) ist. In dieser Ausgestaltung überwacht der Spannungssensor also nicht nur das Öffnen des Schalters, also das Unterbrechen, sondern er ist auch dafür verantwortlich, dass auch kleinere Spannungen an den Ausgang gelangen.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens ein zweiter Schalter zwischen einem elektrischen Potential und dem Ausgang der ersten Spannungsbegrenzungseinheit und zwischen dem ersten Schalter und dem Ausgang der ersten Spannungsbegrenzungseinheit vorgesehen ist, und dass der Spannungssensor derartig ausgestaltet ist, dass er den zweiten Schalter in dem Fall schließt, dass am Eingang der ersten Spannungsbegrenzungseinheit eine Spannung (U) anliegt, welche größer als der maximale Spannungswert (Umax) ist. Mit diesem zweiten Schalter wird also der Ausgang der ersten Spannungsbegrenzungseinheit vom Eingang abgekoppelt, indem der Ausgang mit einem elektrischen Potential verbunden wird. Dieser zweite Schalter wird ebenfalls durch den Spannungssensor gesteuert.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Spannungssensor derartig ausgestaltet ist, dass er den zweiten Schalter in dem Fall öffnet, dass am Eingang der ersten Spannungsbegrenzungseinheit eine Spannung (U) anliegt, welche kleiner als der maximale Spannungswert (Umax) ist. Wie beim ersten Schalter steuert der erste Spannungssensor den zweiten Schalter also auch in dem Fall, dass eine Spannung am Eingang liegt, die zulässig ist.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem elektrischen Potential um Masse handelt. Dies ist eine sehr einfache Ausgestaltung und verhindert, dass größere Spannungen am Ausgang der Spannungsbegrenzungseinheit auftreten können. Der Ausgang wird also quasi geerdet.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei dem Spannungssensor um einen Powerfail-Baustein handelt. Solche Powerfail-Bausteine sind Spezialbausteine, die üblicherweise dazu verwendet werden, um Mikroprozessoren vor einem unkontrolliertem Spannungseinbruch zu schützen. Solche Bausteine weisen üblicherweise auch noch eine Reset-Ausgabe und eine Watchdog-Funktion auf. Dies ist hier jeweils nicht erforderlich. Es wird nur ausgenutzt, dass die Powerfail-Bausteine in Abhängigkeit von einer anliegenden Spannung unterschiedliche Spannungen oder Signale ausgeben.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem ersten und/oder dem zweiten Schalter um einen Transistor oder einen FET handelt. Die Schalter werden also durch Transistoren oder durch FETs oder durch eine passende Kombination realisiert.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der Eingang der ersten Spannungsbegrenzungseinheit mit dem Spannungseingang verbunden ist, und dass der Ausgang der ersten Spannungsbegrenzungseinheit mit dem Spannungsausgang verbunden sind. Dies ist also eine Ausgestaltung, in welcher nur die erste Spannungsbegrenzungseinheit die am Spannungseingang anliegende Spannung überwacht. Dieser Spannungseingang kann beispielsweise die Spannungsversorgung der Elektronik eines Messgerätes sein. Der Spannungsausgang ist entsprechend der Übergang zur eigentlichen Messelektronik, die z.B. Kontakt mit einem explosionsgefährdeten Bereich hat.

In den folgenden Ausgestaltungen wird darauf Wert gelegt, dass die Vorrichtung auch dem Ex-Schutz gerecht wird.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der Eingang der ersten Spannungsbegrenzungseinheit mit dem Spannungseingang verbunden ist, und dass mindestens eine zweite Spannungsbegrenzungseinheit vorgesehen ist, wobei der Eingang der zweiten Spannungsbegrenzungseinheit mit dem Ausgang der ersten Spannungsbegrenzungseinheit verbunden ist, und wobei der Ausgang der zweiten Spannungsbegrenzungseinheit mit dem Spannungsausgang verbunden ist. In dieser Ausgestaltung werden also mindestens zwei Spannungsbegrenzungseinheiten hintereinander geschaltet. Sollte also die erste Einheit eine kritische Spannung oberhalb des maximalen Wertes durchlassen, so wird diese Spannung von der zweiten Einheit abgefangen. Diese Redundanz der Einheiten lässt sich beliebig erweitern, indem noch mehr Einheiten in Reihe geschaltet werden.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der Eingang der ersten Spannungsbegrenzungseinheit mit dem Spannungseingang verbunden ist, dass der Ausgang der ersten Spannungsbegrenzungseinheit mit dem Spannungsausgang verbunden ist, und dass mindestens eine zweite Spannungsbegrenzungseinheit zwischen dem Eingang und dem ersten Schalter der ersten Spannungsbegrenzungseinheit vorgesehen ist. In dieser Ausgestaltung wird also durch die zweite Spannungsbegrenzungseinheit verhindert, dass eine zu hohe Spannung an den ersten Schalter der ersten Spannungsbegrenzungseinheit gelangt. Gleichzeitig wird jedoch im Fall einer zu hohen Spannung der erste Schalter geöffnet. Dies erhöht ebenfalls die Sicherheit: Funktionieren beide Spannungsbegrenzungseinheiten, so ist bei einer zu hohen Spannung jeweils der erste Schalter der ersten und der zweiten Spannungsbegrenzungseinheit geöffnet. Das bedeutet, dass auf dem Weg zwischen dem Eingang und dem Ausgang der ersten Spannungsbegrenzungseinheit zwei Schalter in Reihe geöffnet sind. Daher kann eine der beiden Spannungsbegrenzungseinheiten ausfallen, es ist jedoch immer noch dafür gesorgt, dass durch die andere Einheit keine zu hohe Spannung an den Spannungsausgang gelangen kann. Diese Ausgestaltung kann erweitert werden, indem z.B. eine dritte Spannungsbegrenzungseinheit zwischen den Eingang und dem ersten Schalter der zweiten Spannungsbegrenzungseinheit eingefügt wird.

Weiterhin ist es möglich, diese Ausgestaltung mit der vorherigen zu kombinieren, indem eine dritte Spannungsbegrenzungseinheit hinter die beiden ineinander verschachtelten Spannungsbegrenzungseinheiten geschaltet wird.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1: eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur mit der ersten Spannungsbegrenzungseinheit,
2: eine Ausgestaltung mit zwei in Reihe geschalteter Spannungsbegrenzungseinheiten, und
3: eine Ausgestaltung, bei der in der ersten Spannungsbegrenzungseinheit eine zweite integriert ist.
1 zeigt die erste Spannungsbegrenzungseinheit 10, die sich mit ihrem Ein- 11 und Ausgang 12 zwischen dem Spannungsein- 1 und -ausgang 2 befindet. Der Spannungssensor 31 ist ein Powerfail-Baustein. Solche Spezialbausteine werden üblicherweise dafür eingesetzt, dass Mikroprozessoren vor zu hohen Spannungen geschützt werden. Weitere Funktionen solcher Bausteine kann die Ausgabe eines Resets oder eine Watchdog-Funktion sein. Dieser Spannungssensor 31 überwacht die Spannung U, die am Eingang 11 anliegt. Liegt die Spannung U unter einem vorgebbaren maximalen Spannungswert Umax, so gibt der Sensor 31 ein Lowpegelsignal (0 V) aus. Damit ist der Schalter 21, der im gezeigten Fall ein Transistor ist, geschlossen und die Spannung U (vermindert um die Emitter-Kollektor-Spannung des Transistors 21) liegt auch am Ausgang 12 an. Gleichzeitig ist der Schalter 22 geöffnet. Übersteigt jedoch die Spannung U den maximalen Wert Umax, so gibt der Sensor 31 ein Highpegelsignal (im Allgemeinen die anliegende Spannung U) aus. Dadurch wird der erste Schalter 21 geöffnet und der zweite Schalter 22 geschlossen. Der zweite Schalter 22 verbindet ein elektrisches Potential 40, in diesem Fall Masse, mit dem Ausgang 12. Dadurch wird also der Ausgang 12 abgekoppelt und der Eingang 11 wird quasi kurzgeschlossen. Der Vorteil liegt darin, dass im Fall einer zu hohen Spannung U kein Überstrom über den Schalter 21 fließt und dass kein ständiges Pumpen des versorgenden Kreises, der am Spannungseingang 1 liegt, auftritt.
Die Zener-Diode 46 kann optional eingefügt werden, um die Spannung am Ausgang 12 auf einen bestimmten Wert zu begrenzen, der kleiner als die am Eingang 11 anliegende Spannung U ist. Die Zener-Diode 46 ist vor allem in Hinsicht auf die Zulassung in Ex-Zonen relevant: Der Transistor 21 wird nach der Norm als nicht relevant, also als Kurzschluss betrachtet. Nur der Schalter 22 wird als sicherheitsrelevant akzeptiert, da ein Kurzschluss dieses Schalters 22 z.B. durch eine Fehlfunktion sicherheitsgerichtet, also spannungsbegrenzend wirkt. Wird der Transistor 21 als Kurzschluss betrachtet (im Ex-Fall) und wäre die Zener-Diode 46 nicht implementiert, so käme es im Fall einer zu hohen Spannung (Fehlerfall) zu einem „Pumpen" der Schaltung. Das bedeutet, dass der Fehler in Form der zu hohen Spannung auftritt und dass die Spannungsbegrenzungseinheit 10 entsprechend darauf reagiert, indem der mit dem Spannungseingang 1 verbundene Stromkreis gegen Masse kurzgeschlossen wird. Bei vielen Schaltungen löst dies eine Art Reset aus und das gleiche Schema wird erneut durchlaufen. Dies wird jedoch gerade durch die Zener-Diode 46 verhindert.
Ein weiterer Vorteil der Zener-Diode 46 kann je nach Anwendung sein, dass die in einem Stromkreis, der mit dem Spannungsausgang 2 verbunden ist, gespeicherte Energie (z.B. durch einen Kondensator) nach dem Reagieren der Spannungsbegrenzungseinheit 10 im Fall einer zu hohen Spannung U, nicht durch einen Kurzschluss über den Schalter 22 verbraucht wird.
In diesem Zusammenhang kann es auch relevant sein, dass das Reagieren der Spannungsbegrenzungseinheit 10 durch eine weitere Einheit erkannt und dadurch eine besondere Reaktion ausgelöst wird, z.B. das Abspeichern von relevanten Daten. Weiterhin lässt sich, wenn die Zener-Diode 46 vorgesehen ist, der Schalter 21 auch so realisieren, dass er im Fall einer zu hohen Spannung einen Kurzschluss zwischen dem Eingang 11 und dem Ausgang 12 erzeugt. Im Fall einer zu hohen Spannung U am Eingang 11 würden zwar größere Ströme fließen, am Ausgang 12 würde jedoch immer noch eine Spannung anliegen.
In der 2 sind eine erste 10 und eine zweite Spannungsbegrenzungseinheit 15 hintereinander geschaltet (die zur 1 entsprechenden Bezugszeichen wurden für der Übersichtlichkeit weggelassen). Diese Redundanz erhöht die Sicherheit, indem der Ausfall einer der beiden Einheiten 10, 15 durch die jeweils andere Einheit 15, 10 aufgefangen wird. Dafür sind der Eingang 11 der ersten Einheit 10 mit dem Spannungseingang 1, der Ausgang 12 der ersten Einheit 10 mit dem Eingang 16 der zweiten Einheit 15 und der Ausgang 17 der zweiten Einheit 15 mit dem Spannungsausgang 2 verbunden.
Die 3 zeigt zwei Spannungsbegrenzungseinheiten 10, 15, die ineinander angeordnet sind (bei der zweiten Spannungsbegrenzungseinheit 15 wurden für der Übersicht die Bezugszeichen fortgelassen). Der Abschnitt zwischen dem Eingang 11 und dem ersten Schalter 21 der ersten Spannungsbegrenzungseinheit 10 wird durch die zweite Spannungsbegrenzungseinheit 15 überwacht. In beiden Einheiten 10, 15 überwacht der Spannungssensor 31 die Spannung U, die am Eingang 11 anliegt. Übersteigt diese Spannung U den jeweils vorgegeben maximalen Spannungswert Umax, so wird in beiden Einheiten 10, 15 der erste Schalter 21 geöffnet, bzw. der zweite Schalter 22 geschlossen. Somit wird also die Verbindung zwischen dem Spannungseingang 1 und dem Spannungsausgang 2 an zwei Stellen unterbrochen. Im Gegensatz zur Ausgestaltung in 2 verarbeiten hier beide Einheiten 10, 15 die anliegende Spannung U und reagieren gleichzeitig. In der Ausgestaltung der 2 treten die Einheiten 10, 15 nacheinander in Aktion. Im Idealfall, dass die erste Spannungsbegrenzungseinheit 10 nie ausfällt, wird ebenfalls der erste Schalter 21 der zweiten Spannungsbegrenzungseinheit 15 nie geöffnet. In der hier gezeigten Ausgestaltung der 3 wird stets jeweils bei einer zu hohen Spannung der erste Schalter 21 beider Einheiten 10, 15 geöffnet.

1: Spannungseingang
2: Spannungsausgang
10: Erste Spannungsbegrenzungseinheit
11: Eingang der ersten Spannungsbegrenzungseinheit
12: Ausgang der ersten Spannungsbegrenzungseinheit
15: Zweite Spannungsbegrenzungseinheit
16: Eingang der zweiten Spannungsbegrenzungseinheit
17: Ausgang der zweiten Spannungsbegrenzungseinheit
21, 22: Schalter
31: Spannungssensor
40: Elektrisches Potential
45: Widerstand
46: Zener-Diode

Claims

Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung, mit mindestens einem Spannungseingang (1) und einem Spannungsausgang (2), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Spannungsbegrenzungseinheit (10) mit mindestens einem Eingang (11) und einem Ausgang (12) vorgesehen ist, dass in der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) mindestens ein erster Schalter (21) zwischen dem Eingang (11) und dem Ausgang (12) vorgesehen ist, und dass in der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) mindestens ein Spannungssensor (31) vorgesehen ist, welcher derartig ausgestaltet ist, dass er den ersten Schalter (21) in dem Fall öffnet, dass am Eingang (11) der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) eine Spannung (U) anliegt, die größer als ein vorgebbarer maximaler Spannungswert (Umax) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungssensor (31) derartig ausgestaltet ist, dass er den ersten Schalter (21) in dem Fall schließt, dass am Eingang (11) der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) eine Spannung (U) anliegt, die kleiner als der maximale Spannungswert (Umax) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Schalter (22) zwischen einem elektrischen Potential (40) und dem Ausgang (12) der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) und zwischen dem ersten Schalter (21) und dem Ausgang (12) der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) vorgesehen ist, und dass der Spannungssensor (31) derartig ausgestaltet ist, dass er den zweiten Schalter (22) in dem Fall schließt, dass am Eingang (11) der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) eine Spannung (U) anliegt, welche größer als der maximale Spannungswert (Umax) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungssensor (31) derartig ausgestaltet ist, dass er den zweiten Schalter (22) in dem Fall öffnet, dass am Eingang (11) der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) eine Spannung (U) anliegt, welche kleiner als der maximale Spannungswert (Umax) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem elektrischen Potential (40) um Masse handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Spannungssensor (31) um einen Powerfail-Baustein handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten (21) und/oder dem zweiten Schalter (22) um einen Transistor oder einen FET handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang (11) der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) mit dem Spannungseingang (1) verbunden ist, und dass der Ausgang (12) der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) mit dem Spannungsausgang (2) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang (11) der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) mit dem Spannungseingang (1) verbunden ist, und dass mindestens eine zweite Spannungsbegrenzungseinheit (15) vorgesehen ist, wobei der Eingang (16) der zweiten Spannungsbegrenzungseinheit (15) mit dem Ausgang (12) der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) verbunden ist, und wobei der Ausgang (17) der zweiten Spannungsbegrenzungseinheit (15) mit dem Spannungsausgang (2) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang (11) der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) mit dem Spannungseingang (1) verbunden ist, dass der Ausgang (12) der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) mit dem Spannungsausgang (2) verbunden ist, und dass mindestens eine zweite Spannungsbegrenzungseinheit (15) zwischen dem Eingang (11) und dem ersten Schalter (21) der ersten Spannungsbegrenzungseinheit (10) vorgesehen ist.