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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Leitungssicherung, und insbesondere eine Schaltungsanordnung zur Leitungssicherung, um in explosionsgefährdeten Bereichen eine Datenübertragung mit hohen Übertragungsgeschwindigkeiten sicher bereitzustellen sowie ein Modul, das die Schaltungsanordnung umfasst und ein System mit mehreren Modulen.
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Stand der Technik
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Elektronische Geräte, wie zum Beispiel Computer, PDAs (persönliche digitale Assistenten), Mobiltelefone, Notebooks, Netbooks, etc., weisen oft zur Verbindung bzw. Kommunikation mit anderen Geräten elektronische Schnittstellen an ihren Außenseiten auf. Für den Einsatz solcher elektronischer Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen, wie im Ex-Bereich (Zone 1), stellt solch eine Schnittstelle an der Außenseite eines Geräts ein Gefährdungspotenzial dar. Um das Auftreten eines Funkens durch elektrische Energie auf einer Leitung der Schnittstelle, der ein Gas-Luftgemisch im Ex-Bereich zünden könnte, zu vermeiden, werden Sicherheitsbarrieren an den Schnittstellen verwendet.
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Jedoch muss sichergestellt werden, dass die Sicherheitsbarrieren Signale auf der oder den Leitungen einer Schnittstelle nicht beeinflussen solange ein Grenzwert bzw. eine Spannung zwischen den Leitungen einer Schnittstelle nicht überschritten wird. Beispielsweise stellt ein Grenzwert einen Wert dar, bei dessen Überschreitung die Gefahr eines elektrischen Funkens und daher einer Explosionszündung im Ex-Bereich hoch ist.
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Wie bekannt, ändern sich jedoch die elektrischen Eigenschaften einer Schnittstelle, wenn diese mit einer Sicherheitsbarriere, wie zum Beispiel einer bestimmten Schaltungsanordnung zur Leitungssicherung, verbunden wird.
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Insbesondere geht bei den oben erwähnten elektronischen Geräten der allgemeine Trend, bezüglich seriellen Schnittstellen, in Richtung USB, wobei immer höhere Übertragungsgeschwindigkeiten für Daten erreicht werden. Im Vergleich zur frühren Full-Speed Übertragungsgeschwindigkeiten von 12 Mb/s werden heute vor allem Hochgeschwindigkeitsübertragungen (High Speed) mit mehr als 480 Mb/s erreicht.
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Hierbei stellt sich nun das Problem, dass auf den Leitungen übertragene Energien an der Schnittstelle begrenzt werden müssen, andererseits aber die Übertragungsgeschwindigkeit der Schnittstelle nicht darunter leiden soll. Um die Energien zu begrenzen, sind an den Datenleitungen Sicherungen enthaltende Schaltungsanordnungen für eine Schnittstelle, wie zum Beispiel einer USB-Schnittstelle, vorgesehen. Zudem kann ein Querzweig zwischen Datenleitung und einer Masseleitung bereitgestellt werden, der eine oder mehrere Zenerdioden enthält und zur Spannungsbegrenzung der an der Datenleitung anliegenden Spannung dient.
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Jedoch ergibt sich durch den Widerstand einer Sicherung an der Datenleitung und der Sperrschichtkapazität einer Zenerdiode ein Tiefpassverhalten, das pulsförmige Signale verändert. Insbesondere wird dadurch die Pulsform der pulsförmigen Signale derart verändert, dass die Schnittstelle nicht mehr Daten mit einer hohen Übertragungsgeschwindigkeit von 480 Mb/s übertragen kann.
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US 2007/0230075 A1 beschreibt ein Endoskop. Das Endoskop besitzt eine Sperrschaltung, die einen elektrischen Strom begrenzt, der einer Endoskopkopfeinheit mit CCD Kamera und LED Licht zugeführt wird. Verschiedene durch die Sperrschaltung geschützte Leitungen sind gezeigt. Insbesondere wird eine Schaltung für eine Leitung für einen horizontalen Transferpuls HPLS beschrieben, die eine Sicherung in Reihe mit einer Parallelschaltung aus einem Widerstand in einem ersten Zweig und Kondensatoren in einem zweiten Zweig aufweist.
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WO 2007/040539 A1 betrifft eine sichere Ethernet-basierte Kommunikation. Eine sichere Netzwerkvermittlung enthält fünf elektronisch isolierte Ports, vier für Verbindungen in gefährliche Bereiche und einen Port zum Empfangen einer nicht sicheren Etherneteingabe. Reihenschaltungen von Dioden sind gezeigt, die eine Zenerdiode ersetzen können und eine bessere Handhabe der Durchlassspannung ermöglichen.
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US 4,099,216 beschreibt eine sicherungslose intrinsisch sichere Sperrschaltung. Die elektrische Sperrschaltung besitzt ein Temperaturkoeffizienten-Widerstandsgerät in einer Isolierung zusammen mit anderen elektrischen Komponenten des Moduls.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Leitungssicherung bereitzustellen, die eine Übertragung von Daten mit hoher Geschwindigkeit erlaubt. Ferner gibt es einen Bedarf, ein Modul mit solch einer Schaltungsanordnung bereitzustellen, das bestehende elektronische Schnittstellen schützt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zur Leitungssicherung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen und im Anspruch 9 beschrieben.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung zur Leitungssicherung eine Parallelschaltung aus einem ersten und zweiten Zweig, wobei die Parallelschaltung mit mindestens einem kapazitiven Element in dem ersten Zweig und mindestens einem Sicherungsglied in dem zweiten Zweig der Parallelschaltung ausgebildet ist; sowie eine mit der Parallelschaltung verbundene Datenleitung mit einem Abgriff; und eine Spannungsbegrenzungseinrichtung, über die der Abgriff mit einer Masseleitung verbunden ist, um die Spannung an der Datenleitung zu begrenzen.
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Dadurch können Daten mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit über eine Schnittstelle und Schaltungsanordnung übertragen werden. Vor allem ist hierdurch die Schaltungsanordnung derart ausgelegt, dass die Pulsform der Signale, mit der die Daten übertragen werden, bei Durchgang durch die Schaltungsanordnung erhalten bleibt. Dies kann beispielsweise so verstanden werden, dass der Wechselspannungsanteil des Signals, z.B. eines Rechtecksignal, vom Gleichspannungsanteil in der Parallelschaltung getrennt wird, und daher der Wechselspannungsanteil durch das beschriebene Tiefpassverhalten nicht beeinflusst wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Spannungsbegrenzungseinrichtung eine Gruppe aus mehreren in Reihe geschalteten Dioden, deren Durchlassrichtung vom Abgriff zur Masseleitung zeigt. Durch das Bereitstellen von mehreren in Reihe geschalteten Dioden kann die Sperrschichtkapazität gering gehalten werden, beispielsweise um den Faktor 6 bei einer Reihenschaltung aus 6 Dioden verkleinert werden. Ferner kann so die Verlustleistung auf mehrere Bauteile verteilt werden, so dass die Bauteile klein gehalten werden können und trotzdem eine große kühlende Fläche bereitgestellt werden kann. Zusätzlich erlaubt eine Reihenschaltung von mehreren Dioden auch den Ausfall einer einzelnen Diode, was das Verhalten der Schaltungsanordnung nicht maßgeblich ändert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Datenleitung mehrere Abgriffe und zwischen jedem Abgriff und der Masseleitung ist eine Gruppe von in Reihe geschalteten Dioden bereitgestellt, die die Spannungsbegrenzungseinrichtung darstellen. Durch Bereitstellen von mehreren parallel geschalteten Gruppen von Dioden lässt sich die Sperrschichtkapazität gemäß den Vorgaben für die Schaltungsanordnung genau einstellen. Hierbei bewirkt die Reihenschaltung eine Reduzierung der Sperrschichtkapazität und die Parallelschaltung der Gruppen erhöht wiederum die Kapazität. Dabei wird die Verlustleistung auf eine große Anzahl von Dioden verteilt und so eine große kühlende Fläche bereitgestellt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind in dem ersten Zweig der Parallelschaltung mindestens zwei kapazitive Elemente bereitgestellt. Somit kann die Kapazität des ersten Zweigs der Parallelschaltung passend eingestellt werden, und die Funktionsfähigkeit der Schaltungsanordnung bleibt selbst bei Ausfall eines kapazitiven Elements, z.B. bei einem Kurzschluss in einem Kondensator, erhalten. Die Schaltungsanordnung kann beispielsweise durch doppelte oder dreifache Anordnung von Kondensatoren realisiert werden, wodurch ein möglicher Kurzschluss abgefangen werden kann und trotzdem eine noch immer wirksame Gleichspannungsbarriere vorhanden ist. Dadurch ist selbst im Fehlerfall eines Kondensators die Eigensicherheit der Schnittstelle gewährleistet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform stellt das Sicherungsglied eine Strombegrenzungseinrichtung dar. Im Einzelnen dient das Sicherungsglied zur Begrenzung des Stroms durch den zweiten Zweig der Parallelschaltung, so dass eine Stromüberhöhung auf einer Leitung im explosionsgefährdeten Bereich vermeiden werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung ferner eine mit einer zweiten Parallelschaltung verbundene zweite Datenleitung mit mindestens einem Abgriff, der über eine zweite Spannungsbegrenzungseinrichtung mit der Masseleitung verbunden ist. Somit können zwei Datenleitungen, wie zum Beispiel „+“Data- und „-“Data-Leitungen eines USB-Anschlusses ähnlich abgesichert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in dem ersten Zweig der zweiten Parallelschaltung mindestens ein kapazitives Element bereitgestellt und in dem zweiten Zweig der zweiten Parallelschaltung ein Sicherungsglied bereitgestellt. Ferner kann die zweite Spannungsbegrenzungseinrichtung mehrere Dioden umfassen. Dabei können mit der zweiten Parallelschaltung ähnliche Vorteile an einer zweiten Datenleitung erhalten werden, wie an der ersten Datenleitung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung ferner eine Versorgungsleitung mit einem Abgriff, der über mindestens eine Zenerdiode mit der Masse verbunden ist. Beispielsweise ist die Versorgungsleitung über eine Zenerdiode mit der Masseleitung verbunden, wobei deren Durchlassrichtung von der Masseleitung zum Abgriff zeigt. Somit wird auch eine Überspannung auf der Versorgungsleitung vermieden.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Modul zum Aufstecken auf oder Verbinden mit einer elektronischen Schnittstelle bereitgestellt, welches eine der oben erwähnten Schaltungsanordnungen umfasst. Somit können handelsübliche elektronische Geräte mit einer herkömmlichen Schnittstelle auch in explosionsgefährdeten Bereichen verwendet werden, in denen das Modul entweder auf die existierende Schnittstelle aufgesteckt wird oder anderweitig mit dieser verbunden wird. Ein Eingriff in die Schaltung des Schnittstellen-Controllers, z.B. USB-Controllers, muss nicht erfolgen, so dass über Schnittstelle zu verbindende Geräte ohne einen Eingriff in deren Elektronik eigensicher gemacht werden können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Modul mit einem Verguss bereitgestellt, der die Schaltungsanordnung bedeckt. Somit können in der Schaltungsanordnung auftretende Temperaturen über die gesamte Schaltungsanordnung verteilt werden und im Fehlerfall gegebenenfalls über Temperatursicherungen geführt werden. Insbesondere verringert sich dadurch auch die Größe der Schaltungsanordnung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein System mit einem ersten Modul mit einer oben beschriebenen Schaltungsanordnung und einem zweiten Modul mit einer oben beschriebenen Schaltungsanordnung bereitgestellt, wobei das erste und zweite Modul derart ausgebildet sind, dass sie miteinander verbindbar sind und an jeweils eine elektronische Schnittstelle eines Geräts aufsteckbar sind oder mit jeweils einer elektronischen Schnittstelle verbindbar sind. Insbesondere arbeiten die Module auch an einer USB-Schnittstelle mit eigener Spannungsversorgung oder spannungserzeugenden Baugruppen im Slave-Modus und durch die zweiteilige Ausführung ist eine echte Hot-Plug-Fähigkeit des Systems gegeben. Eine feste Verdrahtung zwischen den Modulen oder zwischen Modul und Gerät ist nicht notwendig, kann aber durch einfache Arbeitsschritte durchgeführt werden.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in der detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen und in den Ansprüchen offenbart.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung ausführlich anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
- 1 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung zur Leitungssicherung gemäß einer Ausführungsform.
- 2 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung zur Leitungsabsicherung im Detail gemäß einer weiteren Ausführungsform.
- 3 zeigt zwei miteinander verbundene Schaltungsanordnungen in zwei Modulen im Detail gemäß einer weiteren Ausführungsform.
- 4 zeigt ein Blockdiagramm, das die Funktion und Verbindung von Modulen an verschiedenen elektronischen Schnittstellen gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend ausführlich unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Dabei sind in den verschiedenen Zeichnungen gleiche oder entsprechende Elemente jeweils mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die im Folgenden detailliert beschrieben werden, werden ausführlich mit Bezug auf eine Schaltungsanordnung zur Leitungssicherung beschrieben. Jedoch wird bemerkt, dass die vorliegende Beschreibung nur Beispiele enthält und nicht als die Erfindung einschränkend angesehen werden sollte.
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1 zeigt schematisch Elemente einer Schaltungsanordnung zur Leitungssicherung, die beispielsweise zum Aufstecken auf oder anderweitig verbinden mit einer Schnittstelle verwendet werden kann.
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Die Schaltungsanordnung 100 umfasst eine Parallelschaltung 110 aus einem ersten Zweig und einem zweiten Zweig. Der erste Zweig der Parallelschaltung 110 umfasst mindestens ein kapazitives Element 112, wie zum Beispiel einen Kondensator, der einen Hochpass bildet. Der zweite Zweig der Parallelschaltung 110 enthält ein Sicherungsglied 114, wie zum Beispiel eine herkömmliche elektrische Sicherung, die als Strombegrenzungseinrichtung dient. Andere Arten von Sicherungen, wie beispielsweise eine Schmelzsicherung, Thermosicherung oder Temperatursicherung werden erfindungsgemäß als Sicherungsglied verwendet.
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Wie in 1 gezeigt, ist die Parallelschaltung 110 mit einer Datenleitung 120 verbunden. Insbesondere ist die Parallelschaltung zwischen zwei Teilen der Datenleitung 120 dazwischen geschaltet, wodurch auch die Parallelschaltung als Teil der Datenleitung angesehen werden kann. Die Datenleitung weist einen Abgriff 122 auf.
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Ferner umfasst die Schaltungsanordnung 100 eine Spannungsbegrenzungseinrichtung 130, über die der Abgriff 122 in 1 mit einer Masseleitung 140 verbunden ist. Hierbei dient die Strombegrenzungseinrichtung 130 zum Begrenzen der Spannung an der Datenleitung 120. Die Spannungsbegrenzungseinrichtung 130 weist vorzugsweise eine bestimmte Sperrschichtkapazität auf und kann daher durch eine oder mehrere Dioden realisiert werden, was später beschrieben wird.
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Beispielsweise können die zwei Anschlüsse der Datenleitung 120 und Masseleitung 140 auf der linken Seite in 1 als Eingangsanschlüsse aufgefasst werden und die zwei Anschlüsse der Datenleitung und Masseleitung auf der rechten Seite in 1 als Ausgangsanschlüsse aufgefasst werden.
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Ein am Eingangsanschluss der Datenleitung 120 ankommendes pulsförmiges Signal wird gemäß der Funktion der Schaltungsanordnung in einen Wechselspannungsanteil und einen Gleichspannungsanteil am Eingang der Parallelschaltung getrennt. Der Wechselspannungsanteil des Signals, z.B. die bei einem Rechtecksignal die steile ansteigende und abfallende Flanken darstellenden Frequenzkomponenten, geht, ohne durch das Sicherungsglied 114 beeinflusst zu werden, durch das kapazitive Element 112 über den ersten Zweig. Für den Gleichspannungsanteil des Signals ist das kapazitive Element 112 des ersten Zweigs jedoch eine offene Leitung, wie z.B. ein geöffneter Schalter, und kann nicht überbrückt werden. Somit fließt der mit dem Gleichspannungsanteil in Verbindung stehende Strom nur durch den zweiten Zweig, d.h. durch das Sicherungsglied 114.
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Durch das kapazitive Element 112 wird somit nur für den Wechselspannungsanteil das Sicherungsglied überbrückt, der Gleichspannungsanteil geht durch den zweiten Zweig. Dadurch ergibt sich am Ausgang der Parallelschaltung 110 wieder die ursprüngliche Signalform.
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Durch das Bereitstellen eines kapazitiven Elements in dem ersten Zweig, der einen Hochpass bildet, können jedoch durch Differenzieren Spannungserhöhungen erzeugt werden. Da schnelle Rechtecksignale sehr steile Flanken aufweisen, können sich auch sehr hohe Differenzierspannungen ergeben. Insbesondere erhält man, wenn ein Signal mit einer Flanke differenziert wird, ein Signal dessen Höhe proportional zur Steilheit ist. Die daraus resultierenden möglicherweise sehr hohen positiven Spannungen können jedoch durch die Spannungsbegrenzungseinrichtung 130 mit einer bestimmten Sperrschichtkapazität begrenzt werden. Das gleiche gilt für sehr hohe negative Spannungen, die ebenfalls durch den Kapazitätsspannungsteiler aus Differenzierglied (Hochpass) und der Sperrschichtkapazität begrenzt werden.
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Somit werden einerseits übertragbare Energien, insbesondere ein Gleichstrom, durch das Sicherungsglied 114 und eine Spannung durch die Spannungsbegrenzungseinrichtung 130, begrenzt, und andererseits wird die Signalform des pulsförmigen Signals nicht verschlechtert, so dass mit der Schaltungsanordnung 100 eine Leitung einer Schnittstelle gesichert werden kann. Insbesondere ist die Schaltungsanordnung zur Leitungssicherung für den Einsatz bei Kontakt mit explosiven Atmosphären oder brennbaren Stäuben geeignet. Somit wird eine hohe Datenübertragungsgeschwindigkeit selbst in explosionsgefährdeten Bereichen ermöglicht.
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2 zeigt eine spezielle Ausführungsform einer Schaltungsanordnung. Insbesondere umfasst die Spannungsbegrenzungseinrichtung in 2 mehrere Gruppen von Dioden, die parallel geschaltet sind und anstatt der Bereitstellung eines kapazitiven Elements im ersten Zweig werden in 2 im ersten Zweig der Parallelschaltung 210 zwei kapazitive Elemente, z.B. Kondensatoren, bereitgestellt.
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Im Einzelnen umfasst die Schaltungsanordnung 200 eine Parallelschaltung 210 aus einem ersten und zweiten Zweig mit einem Sicherungsglied 214 im zweiten Zweig und zwei kapazitiven Elementen 212, 213 im ersten Zweig. Das Sicherungsglied 214 entspricht im Wesentlichen dem Sicherungsglied 114 der 1. Es ist auch möglich nur ein kapazitives Element wie in 1 im ersten Zweig bereitzustellen, jedoch ist es insbesondere in explosionsgefährdeten Bereichen vorteilhaft Komponenten mehrfach, z.B. doppelt oder dreifach, auszuführen, was zu einer erhöhten Sicherheit führt.
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Eine Mehrfachausführung kann einen möglichen Kurzschluss eines Kondensators abfangen und trotzdem eine noch wirksame Gleichspannungsbarriere bilden, so dass auch im Fehlerfall eines Kondensators die Eigensicherheit der Leitung über den Gleichspannungszweig gewährleistet ist. Ein weiterer Vorteil der Hintereinanderschaltung von Kapazitäten im ersten Zweig ist die einfache Anpassung des komplexen frequenzabhängigen Widerstands zum Erhalten einer gewünschten Kennlinie.
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Wie in 1 ist auch die Parallelschaltung 210 mit der Datenleitung 220 verbunden. In dem in 2 gezeigten Beispiel weist die Datenleitung 220 drei Abgriffe auf, an denen jeweils eine Gruppe aus mehreren in Reihe geschalteten Dioden, in diesem Beispiel sechs, angeschlossen ist.
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Im Einzelnen ist eine erste Gruppe 232 mit sechs Dioden zwischen dem ersten Abgriff und der Masseleitung 240 gezeigt, eine zweite Gruppe 234 mit sechs Dioden zwischen dem zweiten Abgriff und der Masseleitung 240 und eine dritte Gruppe 236 mit sechs Dioden zwischen dem dritten Abgriff und der Masseleitung 240. Diese drei Gruppen 232, 234, 236 von Dioden stellen hier die Spannungsbegrenzungseinrichtung dar.
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Wie in 2 gezeigt, sind die Dioden derart geschaltet, dass ihre Durchlassrichtung vom Abgriff zur Masseleitung 240 zeigt. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Vorwärtsspannung 0,7V, so dass die gesamte Vorwärtsspannung einer Gruppe von sechs in Reihe geschalteten Dioden ca. 4,2V beträgt und so die Datenleitung 220 auf ca. 4,2V Spannung begrenzt wird. Wie in 2 gezeigt, ist die Masseleitung 240 geerdet.
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Durch Verwenden von schnellen Dioden in einer Reihenschaltung kann die Sperrschichtkapazität gering gehalten werden. Eine solche Spannungsbegrenzungseinrichtung aus mehreren Dioden ist nicht nur vorteilhaft bei der Erreichung einer bestimmten Sperrschichtkapazität, sondern stellt auch sicher, dass die Spannungsbegrenzungseinrichtung trotz Ausfall einer oder mehrerer Dioden noch funktionsfähig bleibt. Falls beispielsweise eine Diode der ersten Gruppe 232 kurzgeschlossen wird, tragen die anderen fünf Dioden noch immer zur Sperrschichtkapazität bei. Falls beispielsweise eine Diode der ersten Gruppe 232 vollständig funktionsunfähig wird und nicht mehr leitet, ist die Spannungsbegrenzungseinrichtung noch immer funktionsfähig, da eine Spannung noch über die zwei weiteren Gruppen 234 und 236 beschränkt wird.
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Wie oben mit Bezug auf 2 beschrieben wurde, wird eine Spannungsbegrenzung durch die achtzehn Dioden der drei Gruppen 232, 234 und 236, die je sechs Dioden enthalten, durchgeführt. Die Reihenschaltung bewirkt eine Reduzierung der Sperrschichtkapazität um den Faktor sechs und durch die Parallelschaltung dieser drei Gruppen erhöht sich die Kapazität wiederum. Durch die große Anzahl von Dioden kann eine Verlustleistung auf mehrere Bauteile verteilt werden und eine kühlende Fläche vergrößert werden, so dass thermische Anforderungen leicht erreicht werden können. Die Strombegrenzung wird durch das Sicherungsglied 214 wie in 1 durchgeführt.
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Eine ähnliche Spannungsbegrenzung könnte auch durch die Verwendung einer Zenerdiode mit einer Durchbruchsspannung von ca. 4V anstatt der Reihen- und Parallelschaltung der Dioden durchgeführt werden. Eine flexible Anpassung der Sperrschichtkapazität ist dabei jedoch schwierig. Natürlich kann auch eine andere Anzahl von Dioden, z.B. zwei, in der Reihenschaltung oder mehrere Gruppen in der Parallelschaltung verwendet werden, je nachdem wie groß die Vorwärtsspannung einer Diode ist und welche Spannungshöhe begrenzt werden soll.
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Eine weitere Ausführungsform einer Schaltungsanordnung ist in 3 gezeigt. Genauer gesagt sind in 3 zwei zueinander symmetrisch aufgebaute Schaltungsanordnungen 300 und 300' gezeigt. Beispielsweise kann die Schaltungsanordnung 300 in einem Modul 2 und die Schaltungsanordnung 300' in einem Modul 1 bereitgestellt werden. In 3 sind die Leitungen der zwei Schaltungsanordnungen durchgehend miteinander verbunden, es sollte jedoch verstanden werden, dass zwischen den Modulen eine Auftrennmöglichkeit besteht, so dass Standardverbindungskabel, wie später mit Bezug auf 4 erklärt, zwischen beiden verwendet werden können.
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Die Schaltungsanordnung 300 weist vier Leitungen auf, nämlich eine erste Datenleitung 220, eine zweite Datenleitung 320, eine Masseleitung 240 und eine Versorgungsleitung 360. Die entsprechenden Leitungen der Schaltungsanordnung 300' sind mit den entsprechenden Bezugszeichen 220', 320', 240' und 360' bezeichnet. Beispielsweise kann solch eine Schaltungsanordnung zum Absichern einer USB-Schnittstelle verwendet werden, wobei die Masseleitung 240 mit Masse verbunden ist, die zwei Datenleitungen mit der „+“Data-Leitung bzw. „-“Data-Leitung und die Versorgungsleitung 360 mit einer +5V Leitung.
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Wie aus 3 ersichtlich, ist die erste Datenleitung mit der ersten Parallelschaltung 210 verbunden, die wie in 2 dargestellt aufgebaut ist. Die erste Datenleitung 220 weist auch in 3 drei Abgriffe auf, die mit drei Gruppen von Dioden verbunden sind und so eine Spannungsbegrenzungseinrichtung 330 bereitstellen. Ferner ist in 3 die zweite Datenleitung 320 mit einer zweiten Parallelschaltung 310 verbunden, die genauso wie die erste Parallelschaltung 210 aufgebaut ist.
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Ähnlich zu 2 weist auch die zweite Datenleitung 320 drei Abgriffe auf, die mit drei Gruppen von sechs in Reihe geschalteten Dioden verbunden sind und so eine zweite Spannungsbegrenzungseinrichtung 350 darstellen, deren anderes Ende durch Abgriffe an der Masseleitung 240 verbunden ist. Natürlich könne auch die Parallelschaltungen 210 und 310 in 3 auch, wie oben mit Bezug auf 1 und 2 erklärt, anders aufgebaut sein.
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Die Versorgungsleitung 360 der Schaltungsanordnung 300 weist mindestens einen Abgriff auf, der über mindestens eine Zenerdiode 390 mit der Masseleitung 240 verbunden ist. Insbesondere sind in der Ausführungsform der 3 drei Abgriffe auf der Versorgungsleitung 360 dargestellt, die jeweils über eine Zenerdiode 390 mit der Masseleitung 240 gekoppelt sind. Die Zenerdioden 390 sind derart angeordnet, dass die Versorgungsleitung durch deren Durchbruchspannung begrenzt wird, d.h. ein Strom über diese Zenerdioden fließt, wenn die Spannung an der Versorgungsleitung höher ist als die Durchbruchspannung der Zenerdiode, z.B. höher als 5V.
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Zusätzlich wird die Versorgungsleitung 360 durch das Sicherungsglied 365 strombegrenzt und die Versorgungsleitung 360' wird durch das Sicherungsglied 366 strombegrenzt. Des Weiteren wird die Temperatur der Schaltungsanordnung 300 durch die Temperatursicherung 368 begrenzt und auf ähnliche Art und Weise kann die Temperatur der Schaltungsanordnung 300' durch die Temperatursicherung 369 begrenzt werden. Die Temperatursicherungen können in der Nähe der Zenerdioden platziert werden.
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Wie oben mit Bezug auf eine Datenleitung beschrieben, ergibt sich auch auf den Datenleitungen der 3 durch die Widerstände der leistungsbegrenzenden aber notwendigen Sicherungsglieder und der Sperrschichtkapazitäten der schnellen Dioden ein Tiefpassverhalten für pulsförmige Signale auf allen Datenleitungen. Trotzdem kann durch die Hochpässe sichergestellt werden, dass eine mit der Schaltungsanordnung 300 oder 300' verbundenen Schnittstelle im High-Speed-Modus mit 480 Mb/s betrieben werden kann.
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Insbesondere können negative Effekte auf die Signalqualität vermieden werden, die durch doppelte oder mehrfach redundante Ausführungen von Komponenten auftreten, wobei die redundanten Ausführungen insbesondere notwendig sind, um zu verbindende Komponenten eigensicher auszubilden, wenn beispielsweise zur Verbindung zwischen Geräten keine feste Verdrahtung in Frage kommt.
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Bei den gezeigten Parallelschaltungen wird bei einem pulsförmigen Signal das Nutzsignal vom Gleichspannungsanteil getrennt, so dass Wechsel- und Gleichspannungsanteile getrennt voneinander im Hinblick auf einen Explosionsschutz betrachtet und abgesichert werden können. Wie zuvor beschrieben, überbrückt der Wechselspannungsanteil durch die Hochpässe die Sicherungsglieder, so dass sich eine ursprüngliche Signalform ergibt. Die durch Differenzieren erzeugten Spannungsüberhöhungen werden von den beschriebenen Spannungsbegrenzungseinrichtungen begrenzt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Schaltungsanordnung in einem Modul, wie z.B. Modul 1 oder Modul 2 der 3, bereitgestellt werden. Solch ein Modul ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass es auf eine elektronische Schnittstelle, wie zum Beispiel eine USB-Schnittstelle, aufgesteckt werden kann, wodurch herkömmliche elektronische Geräte leicht derart umgerüstet werden können, dass sie in explosionsgefährdeten Bereichen, wie zum Beispiel Bereichen mit explosiven Atmosphären oder brennbaren Stäuben, verwendet werden können.
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Durch Bereitstellen eines Vergusses, der die Schaltungsanordnung 100, 200, 300 oder 300' bedeckt, kann zudem die geometrische Abmessung eines Moduls reduziert werden und auch sichergestellt werden, dass die Temperaturen des Moduls im Fehlerfall über eine Temperatursicherung geführt wird.
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Eine Anordnung von zwei Modulen an zwei USB-Schnittstellen ist in 4 zu sehen, in der Modul 1 an der Schnittstelle eines USB-Master-Geräts aufgesteckt oder fest verbunden ist und Modul 2 an der Schnittstelle eines USB-Slave-Geräts. Zwischen Modul 1 und Modul 2 können einfache Standardverbindungskabel verwendet werden, da die Schnittstellen durch die Module eigensicher gemacht wurden.
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Dadurch ermöglicht das in 4 gezeigte System aus zwei Modulen eine echte Hot-Plug-Fähigkeit, so dass keine feste Verdrahtung zwischen den elektronischen Geräten selbst notwendig ist. Eingriffe in die Elektronik der schnellen Schnittstellen der elektronischen Geräte können daher durch einfaches Aufstecken der Barrierenmodule vermieden werden, da das Signal zwischen den angeschlossenen Geräten eigensicher gemacht werden kann, d.h. beispielsweise keine Explosion auslösen kann.
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Aus der vorhergehenden Beschreibung erkennt der Fachmann, dass verschiedenen Modifikationen und Variationen der Schaltungsanordnungen, Module und Systeme der Erfindung durchgeführt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
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Ferner wurde die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen und Beispiele beschrieben, die jedoch nur zum verbesserten Verständnis der Erfindung dienen sollen, aber diese nicht einschränken sollen. Der Fachmann erkennt auch sofort, dass viele verschiedene Kombinationen der Elemente zur Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Deshalb wird der wahre Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche gekennzeichnet.
