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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Stromausgangsstufe zum Bereitstellen eines geregelten Ausgangsstroms.
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Hintergrund der Erfindung
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Stromausgangsstufen dienen vornehmlich dazu, aus einem Messsignal ein genormtes elektrisches Ausgangssignal, beispielsweise einen normierten Strom von 0 bis 20 mA oder 4 bis 20 mA bereitzustellen.
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Von einer aktiven Stromausgangsstufe wird gesprochen, wenn diese einen Ausgangsstrom einstellt und gleichzeitig die Energie liefert, die benötigt wird, um den Ausgangsstrom durch eine Bürde zu treiben, die am Ausgang der Stromausgangsstufe angeschlossen ist. Die Bürde bildet einen passiven Empfänger.
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Von einer passiven Stromausgangsstufe wird gesprochen, wenn diese lediglich einen Ausgangsstrom einstellt, die Energie jedoch, die benötigt wird, den Ausgangsstrom durch eine Bürde zu treiben, von einer externen Spannungsquelle bereitgestellt wird. Die externe Spannungsquelle bildet zusammen mit der in Reihe dazu geschalteten Bürde einen aktiven Empfänger.
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Eine Stromausgangsstufe mit automatischer aktiv-passiv Umschaltung ist aus der
DE 10 2010 038 152 A1 bekannt. Die bekannte Stromausgangsstufe weist einen Eingang zum Anlegen eines Eingangssignals und einen Ausgang zur Verbindung mit einem Eingang einer mit Strom zu versorgenden Einheit auf. Die Einheit kann ein passiver Empfänger, zum Beispiel eine Bürde, oder ein aktiver Empfänger sein, der eine Reihenschaltung aus einer Bürde und einer externen Spannungsquelle aufweist. Weiterhin weist die Stromausgangsstufe eine Regelstufe auf, die den Ausgangsstrom einstellt. Die Regelstufe kann als Spannungs-Strom-Wandler oder als Strom-Strom-Wandler ausgebildet sein. Des Weiteren ist eine Energieversorgungseinrichtung vorgesehen, welche die Energie für den Ausgangsstrom zur Verfügung stellt, wenn ein passiver Empfänger am Ausgang der Stromausgangsstufe angeschlossen ist. Die Stromausgangsstufe weist ferner eine Erkennungseinrichtung auf, welche am Ausgang erkennt, ob die Stromausgangsstufe passiv oder aktiv betrieben wird. Bei Erkennen eines aktiven Betriebs wird die Energieversorgungseinrichtung so gesteuert, dass sie die Energie für den Ausgangsstrom zur Verfügung stellt. Wird ein passiver Betrieb der Stromausgangsstufe erkannt, wird die Energie für den Ausgangsstrom von der externen Energiequelle des aktiven Empfängers zur Verfügung gestellt.
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Aus der
EP 2 656 334 B1 ist ein Signal-Trenner bekannt, der eine als Strom-Strom-Wandler ausgebildete Ausgangsstufe aufweist, die aktiv betrieben wird. Mit anderen Worten: An die Ausgangsstufe kann eine Bürde, d. h. ein passiver Empfänger, angeschlossen werden. Der Signal-Trenner weist hierzu eine mit einer Hilfsspannung versorgte Regelungseinrichtung auf, deren Ausgangsspannung den gewünschten Strom durch die Bürde treibt. Die Ausgangsspannung der Regelungseinrichtung wird mit Hilfe einer Mess-Einrichtung so geregelt, dass die Verlustleistung des Transistors der Ausgangsstufe im Wesentlichen unabhängig vom Ausgangsstrom und von einer angeschlossenen Bürde ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine alternative Lösung für eine Stromausgangsstufe mit automatischer aktiv-passiv Umschaltung zu schaffen, deren Verlustleistung im passiven Betrieb reduziert werden kann.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Ein Kerngedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, den Signal-Trenner gemäß der
EP 2 656 334 B1 so zu modifizieren, dass die Stromausgangsstufe auch passiv betrieben werden kann, d.h., dass an die Ausgangsstufe auch ein aktiver Empfänger, der eine Reihenschaltung aus einer Bürde und einer externen Energiequelle aufweist, angeschlossen werden kann. Angemerkt sei, dass die Funktionsweise der im aktiven Zustand betriebenen Stromausgangsstufe im Wesentlichen der Funktionsweise des in der
EP 2 656 334 B1 beschriebenen Signal-Trenners entspricht. Der gesamte Inhalt der
EP 2 656 334 B1 wird hierein mit aufgenommen.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung kann darin gesehen werden, dass die Stromausgangsstufe in der Lage ist, die von ihr lieferbare Ausgangsspannung auf Null Volt zu regeln, wenn ein aktiver Empfänger angeschlossen ist.
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Noch ein weiter Gesichtspunkt der Erfindung kann darin gesehen werden, dass die Stromausgangsstufe in der Lage ist, ihre Ausgangsspannung auf einen Wert größer als Null Volt zu regeln, wenn die externe Energiequelle eines angeschlossenen aktiven Empfängers nicht ausreicht, den einen gewünschten Ausgangsstrom durch die Bürde des aktiven Empfängers zu treiben.
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Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach wird eine Stromausgangsstufe zum Bereitstellen eines geregelten Ausgangsstroms geschaffen, die einen, einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss aufweisenden Eingang aufweist, an welchen ein Eingangssignal anschaltbar ist. Bei dem Eingangssignal kann es sich beispielsweise um einen Messstrom oder eine Messspannung handeln. Weiterhin weist die Stromausgangsstufe einen, einen erste und einen zweiten Ausgangsanschluss aufweisenden Ausgang auf, an welchen ein passiver Empfänger oder ein aktiver Empfänger anschaltbar ist. Der aktive Empfänger weist eine Bürde und eine externe Energieversorgungsquelle auf, während der passive Empfänger keine externe Energieversorgungseinrichtung enthält. Weiterhin weist die Stromausgangsstufe eine erste Regeleinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, am Ausgang einen geregelten Ausgangsstrom bereitzustellen, der proportional zu dem Eingangssignal ist. Die Stromausgangsstufe verfügt über eine Spannungsquelle. Weiterhin weist die Stromausgangsstufe eine Erkennungseinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, zu erkennen, ob am Ausgang ein passiver oder aktiver Empfänger angeschlossen ist. Eine mit der Spannungsquelle verbundenen zweite Regeleinrichtung stellt, wenn ein passiver Empfänger angeschlossen ist, in Abhängigkeit von dem passiven Empfänger und in Abhängigkeit von einem von der Erkennungseinrichtung gelieferten Ausgangssignal eine Ausgangsspannung am Ausgang bereit derart, dass ein dem Eingang proportionaler Ausgangsstrom durch den passiven Empfänger fließen kann. Die Regeleinrichtung stellt ferner, wenn ein aktiver Empfänger angeschlossen ist, in Abhängigkeit von der Bürde und der externen Energieversorgungseinrichtung des aktiven Empfängers und in Abhängigkeit von einem von der Erkennungseinrichtung gelieferten Ausgangssignal eine Ausgangsspannung, welche größer oder gleich Null ist, bereit derart, dass eine dem Eingangssignal proportionaler Ausgangsstrom durch die Bürde durch einen Rückflusspfad fließen kann, wobei der Rückflusspfad den Ausgangsstrom nur durchlässt, wenn ein aktiver Empfänger angeschlossen ist und der aktive Empfänger ausreichend Energie zur Verfügung stellt, um den Ausgangsstrom durch die Bürde zu treiben. Der Rückflusspfad kann in einfacher und kostengünstiger Weise durch eine entsprechend geschaltete Diode realisiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die erste Regeleinrichtung einen Operationsverstärker und einen regelbaren Transistor auf, wobei der Steueranschluss des Transistors mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist. Der Eingang der Erkennungseinrichtung ist mit einem zweiten Anschluss des regelbaren Transistors verbunden, während der Ausgang der Erkennungseinrichtung mit einem Eingang der zweiten Regeleinrichtung verbunden ist. Dieser Eingang kann auch als Rückkopplungseingang bezeichnet werden.
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Die erste Regeleinrichtung kann als Strom-Strom-Wandler ausgebildet sein. In diesem Fall wird ein dritter Anschluss des regelbaren Transistors mit dem ersten Eingangsanschluss und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden, während der zweite Anschluss des regelbaren Transistors mit dem ersten Ausgangsanschluss verbunden ist.
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Alternativ kann die erste Regeleinrichtung auch als Spannungs-Strom-Wandler ausgebildet sein. Zu diesem Zweck ist der zweite Anschluss des regelbaren Transistors mit dem Ausgang der zweiten Regeleinrichtung und einem Eingang der Erkennungseinrichtung verbunden, während der dritte Anschluss des regelbaren Transistors mit dem zweiten Ausgangsanschluss und einem weiteren Eingang der Erkennungseinrichtung verbunden ist. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist mit dem ersten Ausgangsanschluss verbunden.
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Die Erkennungseinrichtung kann ferner dazu ausgebildet sein, das dem Eingang der zweiten Regeleinrichtung zugeführte Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem am zweiten Anschluss des regelbaren Transistors anliegenden Potential zu erzeugen.
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Die zweite Regeleinrichtung kann als Abwärtswandler oder SEPIC-Wandler ausgebildet sein, der jeweils den Rückflusspfad enthält.
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Eine kostengünstige und einfache Realisierung der Erkennungseinrichtung weist einen Transistor und einen Widerstand auf, wobei der Steueranschluss des Transistors mit einem der Ausgangsanschlüsse verbunden ist.
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Bei einer einfachen und kostengünstigen Ausführung enthält der Rückflusspfad eine Diode.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine beispielhafte Stromausgangsstufe gemäß der Erfindung, welche einen Strom-Strom-Wandler enthält,
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2 eine alternative beispielhafte Stromausgangsstufe, die einen Spannungs-Strom-Wandler enthält,
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3 die in 1 und 2 gezeigte zweite Regeleinrichtung als Step-Down-Wandler, und
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4 die in 1 und 2 gezeigte zweite Regeleinrichtung als SEPIC-Wandler.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt eine beispielhafte Stromausgangsstufe 10 zum Bereitstellen eines geregelten Ausgangsstroms, die dazu ausgebildet ist, automatisch zu erkennen, ob ein aktiver Empfänger 120 oder ein passiver Empfänger 110 angeschlossen ist.
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Die Stromausgangstufe 10 weist einen Eingang mit einem ersten Eingangsanschluss 11 und einem zweiten Eingangsanschluss 12 auf. An die Eingangsanschlüsse 11 und 12 kann ein elektrisches Eingangssignal, beispielsweise ein Strommesssignal angelegt werden. In dem vorliegenden Beispiel wird das Eingangssignal durch eine Stromquelle 50 symbolisch dargestellt. Weiterhin weist die Stromausgangsstufe 10 einen Ausgang mit einem ersten Ausgangsanschluss 13 und einem zweiten Ausgangsanschluss 14 auf. An die Ausgangsanschlüsse 13 und 14 kann ein passiver Empfänger 110 oder ein aktiver Empfänger 120 angeschlossen werden. Der passive Empfänger 110 zeichnet sich dadurch aus, dass sein Eingang durch einen elektrischen Widerstand 112 gebildet wird, der auch als Bürde bezeichnet werden kann. Der aktive Empfänger 120 zeichnet sich dadurch aus, dass er eingangsseitig eine externe Energiequelle 121 und eine Bürde in Form eines elektrischen Widerstandes 122 enthält. Vorzugsweise ist die externe Energiequelle 121 eine Gleichspannungsquelle, die beispielsweise eine Gleichspannung von 24 Volt liefert. Weiterhin weist die Stromausgangsstufe 10 eine erste Regeleinrichtung 20 auf, die dazu ausgebildet ist, an den Ausgangsanschlüssen 13 und 14 einen geregelten Ausgangsstrom bereitzustellen, der proportional zum Eingangssignal ist. Die erste Regeleinrichtung 20 ist im gezeigten Beispiel als Strom-Strom-Wandler ausgebildet, der einen Operationsverstärker 40 und einen regelbaren Transistor 30 aufweist, welcher im vorliegenden Beispiel als Mosfet-Transistor ausgebildet ist. Der Transistor 30, der auch als Ausgangstransistor der Stromausgangsstufe 10 betrachtet werden kann, weist einen als Steueranschluss 31 fungierenden Gate-Anschluss auf, der mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 40 verbunden ist. Ein dritter Anschluss des regelbaren Transistors 30, der den Source-Anschluss des Transistors 30 bildet, ist mit dem ersten Eingangsanschluss 11 und dem invertierenden Eingang 41 des Operationsverstärkers 40 verbunden. Der zweite Anschluss des Transistors 30, der als Drain-Anschluss 32 ausgebildet ist, ist mit dem ersten Ausgangsanschluss 13 verbunden.
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Die Stromausgangsstufe 10 weist eine Gleichspannungsquelle 80 auf, die unter anderem den Operationsverstärker 40 speist. Weiterhin weist die Stromausgangsstufe 10 eine Erkennungseinrichtung 60 auf, die dazu ausgebildet ist, zu erkennen, ob an den Ausgangsanschlüssen 13 und 14 der passive Empfänger 110 oder der aktive Empfänger 120 angeschlossen ist.
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Weiterhin enthält die Stromausgangsstufe 10 eine zweite Regeleinrichtung 70, die eingangsseitig mit der internen Spannungsquelle 80 verbunden ist. Die Regeleinrichtung 70 weist ferner einen Eingang 72 auf, der mit einem Ausgang der Erkennungseinrichtung 60 verbunden ist. Der Eingang 72 kann auch als Rückkopplungseingang bezeichnet werden. Angemerkt sei, dass die zweite Regeleinrichtung 70 als Schaltregler ausgebildet sein kann.
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Die Erkennungseinrichtung 60 weist eine Regeleinrichtung 62 auf, die beispielsweise als N-Kanal Feldeffekttransistor ausgebildet sein kann. Der Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors 62 ist mit dem Drain-Anschluss 32 des Transistors 30 beziehungsweise dem Ausgangsanschluss 13 verbunden. Der Source-Anschluss des Feldeffekttransistors 62 ist mit Masse verbunden. Weiterhin weist die Erkennungseinrichtung 60 einen Widerstand 61 auf, dessen einer Anschluss mit dem Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors 62 verbunden ist, und dessen anderer Anschluss mit der internen Spannungsquelle 80 verbunden ist. Der Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors 62 ist mit dem Rückkopplungsanschluss 72 der Regeleinrichtung 70 verbunden.
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Weiterhin weist die Stromausgangsstufe 10 einen Rückflusspfad auf, der durch eine Diode 75 realisiert werden kann, deren Kathodenanschluss mit dem Ausgangsanschluss 14 verbunden ist, während der Anodenanschluss mit Masse verbunden ist. Wie nachfolgend noch näher erläutert, lässt die den Rückflusspfad bildende Diode 75 den Ausgangsstrom Iout nur durch, wenn der an der Stromausgangsstufe 10 angeschlossen aktive Empfänger 120 ausreichend Energie zur Verfügung stellt, um den Ausgangsstrom durch die Bürde zu treiben.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der in 1 dargestellten Stromausgangsstufe 10 näher erläutert.
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Ein Grundprinzip der Stromausgangsstufe 10 besteht darin, automatisch zu erkennen, ob der aktive Empfänger 120 oder der passive Empfänger 110 angeschlossen ist, wobei die als Strom-Strom-Wandler ausgebildete erste Regeleinrichtung 20 versucht, einen Ausgangsstrom Iout einzustellen, der proportional zum Eingangsstrom ist. Die Erkennungseinrichtung 60 ist dazu ausgebildet, das Potential am Ausgangsanschluss 13 und somit die Spannung UK am Drain-Ausgang 32 des Transistors 30 konstant auf einen vorbestimmten Spannungswert, der je nach Implementierung zum Beispiel zwischen 0,5V und 2V liegen kann, einzustellen.
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Erkennt die Erkennungseinrichtung 60, dass der passive Empfänger 110 angeschlossen ist und somit die Stromausgangsstufe 10 im aktiven Zustand betrieben wird, sorgt sie dafür, dass die zweite Regeleinrichtung 70 eine Ausgangsspannung Uout liefert, die ausreicht, den zum Eingangssignal proportionalen Ausgangsstrom Iout durch die Bürde 112 zu treiben. Dieser Ausgangsstrom Iout wird vom Transistor 30 eingestellt. Angemerkt sei, dass die Diode 75 für den Ausgangsstrom Iout gesperrt ist, da die von der Regeleinrichtung 70 bereitgestellte Ausgangseinrichtung Uout größer als Null ist. Ferner sei angemerkt, dass die Erkennungseinrichtung 60 einen angeschlossenen passiven Empfänger 110 daran erkennen kann, dass das Potential am Ausgangsanschluss 13 kleiner ist als der vorbestimmte Spannungswert, den die Erkennungseinrichtung 60 nunmehr versucht konstant einzustellen. Der vorbestimmte Spannungswert ergibt sich durch den Schaltungsaufbau und die Dimensionierung der Stromausgangsstufe 10.
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Auf diese Weise wird erreicht, dass die Verlustleistung des Transistors 30 und somit der Stromausgangsstufe 10 im Wesentlichen unabhängig vom Ausgangsstrom und von der Größe der angeschlossenen Bürde 112 ist. Diese Aufgabe leistet die Erkennungseinrichtung 60, indem sie unter Ansprechen auf das am Drain-Ausgang 32 anliegende Potential UK die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistor 62 so ansteuert, dass am Widerstand 61 die entsprechende Regelspannung, welche dem Eingang 72 der Regeleinrichtung zugeführt wird, abfällt. Die zweite Regeleinrichtung 70 stellt dann eine Ausgangsspannung Uout ein, die dafür sorgt, dass der dem Eingangsstrom proportionale Ausgangsstrom Iout durch die Bürde 112 fließt und gleichzeitig die Spannung UK auf den vorbestimmten Spannungswert von beispielsweise 2V geregelt wird.
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Nunmehr sei der Fall angenommen, dass der aktive Empfänger 120 an die Ausgangsanschlüsse 13 und 14 angeschlossen wird.
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Dies kann die Erkennungseinrichtung 60 daran erkennen, dass das Potential am Ausgangsanschluss 13 größer ist als der vorbestimmte Spannungswert, den die Erkennungseinrichtung 60 versucht, einzustellen. Beispielsweise liefert die externe Gleichspannungsquelle 121 eine Spannung von 24V. Die Regeleinrichtung 20 versucht nunmehr einen Ausgangsstrom Iout einzustellen, der zum Eingangsstrom proportional ist. Insbesondere regelt die Regeleinrichtung 20 den durch die Drain-Source-Strecke des Transistors 30 fließenden Ausgangstrom Iout so, dass er gleich dem Eingangsstrom wird. Die Erkennungseinrichtung 60 überwacht die Spannung UK am Drain-Anschluss 32 bzw. das Potential am Ausgangsanschluss 13, um zu erkennen, ob die externe Spannungsquelle 121 des aktiven Empfängers 120 eine ausreichend hohe Spannung liefert, so dass die Regeleinrichtung 20 einen zum Eingangssignal proportionalen Ausgangsstrom Iout durch die Bürde 122 einstellen kann. Wird eine ausreichend hohe Spannung Uext von der externen Spannungsquelle 121 bereitgestellt, regelt der Ausgangstransistor 30 den Ausgangsstrom, indem er die Spannung UK am Drain-Anschluss 32 so einstellt, dass die Maschengleichung UK + UD1 + Iout·Bürde 122 – Uext = 0 erfüllt ist. Ändert sich Iout infolge einer Änderung des Eingangssignals, die Bürde 122 und/oder die externe Spannung Uext beim Anschließen eines anderen aktiven Empfängers, so muss sich auch UK ändern. Solange die Spannung UK am Drain-Anschluss 32 größer ist als die vorbestimmte Spannung, welche die Erkennungseinrichtung 60 konstant halten möchte, liefert die Erkennungseinrichtung 60 der Regeleinrichtung 70 eine Regelspannung, die die Ausgangsspannung Uout verringert, um der zu großen Spannung UK am Drain-Ausgang entgegenzuwirken. Bei ausreichend großer externer Spannung Uext kann die Ausgangsspannung Uout von der Regeleinrichtung 70 bis auf 0V reduziert werden. Dieser Regelmechanismus, also das Zusammenspiel der Regeleinrichtung 70 mit der Erkennungseinrichtung 60, stellt sicher, dass, solange die externe Spannungsquelle 121 eine ausreichend hohe Spannung zum Treiben eines zum Eingangsstrom proportionalen Ausgangsstroms Iout durch die Bürde 122 bereitstellt, von der Regeleinrichtung 70 keine zusätzliche Ausgangsspannung Uout in den Ausgangskreis bzw. den aktiven Empfänger 120 eingespeist wird. Der Ausgangsstrom Iout fließt nunmehr über die Diode 75 zur externen Spannungsquelle 121 zurück.
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Erkennt jedoch die Erkennungseinrichtung 60, dass die Spannung UK am Drain-Ausgang 32 unterhalb der vorbestimmten Spannung, die sie konstant halten möchte, liegt, liefert sie an den Eingang 72 der Regeleinrichtung 70 eine entsprechende Spannung, die bewirkt, dass die Regeleinrichtung 70 eine ausreichend hohe Ausgangsspannung Uout liefert, so dass sich am Drain-Ausgang 32 wieder der vorbestimmte Spannungswert von beispielsweise 2V einstellt.
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Auf diese Weise kann die Stromausgangsstufe 10 auch mit einem aktiven Empfänger betrieben werden, dessen externe Spannungsquelle keine ausreichende Spannung bereitstellt, den maximalen Ausgangsstrom Iout durch die Bürde zu treiben. Ein einfaches Rechenbeispiel vermag diesen Sachverhalt zu erläutern. Angenommen sei, dass die Stromausgangsstufe 10 einen maximalen Ausgangsstrom von Iout = 20mA liefern soll und die externe Spannungsquelle 121 eine Gleichspannung von 24V bereitstellt. In diesem Fall kann die externe Spannungsquelle 121, bei Vernachlässigung der Spannungsabfälle von Transistor 30 und Diode 75, den maximalen Ausgangsstrom durch eine Bürde von 1200Ω treiben. Ist die Regeleinrichtung 70 in der Lage, eine Ausgangsspannung bis beispielsweise 10V zu liefern, kann die Bürde 122 sogar einen Wert von 1200Ω + 10V/20mA = 1700Ω aufweisen.
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In 2 ist eine alternative Stromausgangsstufe 130 dargestellt, die sich im Wesentlichen dadurch von der in 1 dargestellten Stromausgangsstufe 10 unterscheidet, dass anstelle eines Strom-Strom-Wandlers 20 als erste Regeleinrichtung ein Spannungs-Strom-Wandler 150 verwendet wird.
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Die Stromausgangsstufe 130 weist einen, zwei Eingangsanschlüsse 131 und 132 aufweisenden Eingang auf, an den ein Eingangssignal beispielsweise ein Spannungsmesssignal angeschlossen werden kann. Das Spannungsmesssignal wird durch eine Spannungsquelle 140 symbolisiert. Die erste Regeleinrichtung 150 ist, wie gesagt als Spannungs-Strom-Wandler ausgebildet, der einen Operationsverstärker 170, einen Ausgangstransistor 160 und einen Widerstand 180 aufweist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 170 ist mit dem Steueranschluss beziehungsweise dem Gate-Anschluss 161 des Ausgangstransistors 160 verbunden. Der Ausgangstransistor 160 kann ein Mosfet-Transistor sein. Der nicht invertierende Eingang 171 des Operationsverstärkers 170 ist mit der ersten Eingangsklemme 131 verbunden. Der invertierende Eingang 172 des Operationsverstärkers 170 ist mit einem Anschluss eines Widerstandes 180 verbunden, Stromausgangsstufe 130 enthält einen Ausgang, der zwei Ausgangsanschlüsse 133 und 134 aufweist.
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Der erste Ausgangsanschluss 133 ist mit dem invertierenden Eingang 172 des Operationsverstärkers 170 verbunden. An die Ausgangsanschlüsse 133 und 134 kann ein passiver Empfänger, der eingangsseitig lediglich eine Bürde 232 aufweist oder auch ein aktiver Empfänger 240 angeschlossen werden, der eingangsseitig eine Bürde 242 und eine externe Spannungsquelle 241 enthält. Weiterhin weist die Stromausgangsstufe 130 eine Spannungsquelle 210 auf, die an einer zweiten Regeleinrichtung 200 anliegt. Die Regeleinrichtung 200 kann als Schaltnetzteil ausgeführt sein. Die Ausgangsspannung Uout der Regeleinrichtung 200 kann die bis auf Null Volt heruntergeregelt werden. An den Ausgang der Regeleinrichtung 200 ist eine einen Rückflusspfad bildende Diode 220 angeschlossen, wobei deren Kathodenanschluss mit dem Ausgang der Regeleinrichtung 200 verbunden ist, während der Anodenanschluss mit Masse verbunden ist. Der Drain-Anschluss 162 des Ausgangstransistors 160 ist ebenfalls mit dem Ausgang der Regeleinrichtung 200 verbunden, während der Source-Anschluss 163 des Ausgangstransistors 160 mit dem Ausgangsanschluss 134 verbunden ist. Der Ausgangstransistor 160 befindet sich somit ausgangsseitig der Regeleinrichtung 200. Weiterhin weist die Stromausgangsstufe 130 eine Erkennungseinrichtung 190 auf, die eine Schalteinrichtung 192 aufweist, welche als Mosfet ausgebildet sein kann. Zudem ist ein Widerstand 191 vorgesehen. Der Steuer- bzw. Gate-Anschluss der Schalteinrichtung 192 ist mit dem zweiten Ausgangsanschluss 134 und somit mit dem Source-Anschluss 163 des Ausgangstransistors 160 verbunden. Der zweite Anschluss des regelbaren Transistors 192, der als Drain-Anschluss ausgebildet ist, ist mit einem Rückkopplungseingang 202 der Regeleinrichtung 200 und einem Anschluss des Widerstands 191 verbunden. Der andere Anschluss des Widerstands 191 ist mit Masse verbunden. Der Transistor 192 ist so verschaltet, dass die Ansteuerung des Transistors 192 den Ausgangsstrom Iout nicht beeinflusst. Der Transistor 192 stellt über den Widerstand 191 die Regelspannung für die Regeleinrichtung 200 so ein, dass die Drain-Source-Spannung des Ausgangstransistors 160 unabhängig vom Ausgangsstrom Iout und einer am Ausgang angeschlossenen Bürde konstant bleibt.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der Stromausgangsstufe 130 näher erläutert.
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Angenommen sei, dass der passive Empfänger 230 an dem Ausgang der Stromausgangstufe 130 angeschlossen ist.
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Der Spannungs-Strom-Wandler 150 arbeitet in an sich bekannter Weise derart, dass der Operationsverstärker 170 über den Ausgangstransistor 160 einen Ausgangsstrom Iout einstellen möchte, der über dem Widerstand 180 einen Spannungsabfall hervorruft, der gleich dem Spannungseingangssignal, dargestellt durch die Spannungsquelle 140, ist. Die Erkennungseinrichtung 190 erkennt den Anschluss des passiven Empfängers 230 daran, dass am Ausgangsanschluss 134 keine Spannung anliegt. Die Erkennungseinrichtung 190 versucht nun, die Drain-Source-Spannung des Ausgangstransistors 160 auf einen konstanten Spannungswert, zum Beispiel 2V, einzustellen. Hierzu stellt die Erkennungseinrichtung über den Widerstand 191 eine entsprechende Regelspannung für den Eingang 202 der Regeleinrichtung 200 bereit, so dass die Regeleinrichtung 200 unabhängig von der Bürde 232 des passiven Empfänger 230 eine Ausgangsspannung Uout erzeugen kann, die ausreicht, einen Ausgangsstrom Iout, der proportional zur Eingangsspannung ist, durch die Bürde 230 zu treiben, während gleichzeitig sicher gestellt wird, dass die Verlustleistung des Ausgangstransistors 160 im Wesentlichen unabhängig vom Ausgangsstrom Iout und von der Bürde 232 ist. Die Diode 220 ist beim Anschluss des passiven Empfängers 230 für den Ausgangsstrom gesperrt.
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Wird jedoch der aktive Empfänger 240 an die Ausgangsanschlüsse 133 und 134 angeschlossen, detektiert die Erkennungseinrichtung 190 eine Drain-Source-Spannung am Transistor 160, die größer ist als die Spannung, die die Erkennungseinrichtung 190 konstant halten möchte. Demzufolge liefert der Transistor 192 über den Widerstand 191 eine Regelspannung an die Regeleinrichtung 200 derart, dass die Regeleinrichtung 200 die Ausgangsspannung Uout bis auf 0V regelt, sofern die externe Spannungsquelle 241 eine Spannung bereitstellt, die ausreicht, einen Ausgangsstrom, der proportional zur maximal zulässigen Eingangsspannung ist, durch die Bürde 242 zu treiben. In diesem Fall ist die den Rückflusspfad bildende Diode 220 für den Ausgangsstrom durchlässig. Fällt hingegen die Drain-Source-Spannung des Transistors 160 unter den Spannungswert, den die Erkennungseinrichtung 190 versucht, konstant zu halten, liefert die Erkennungseinrichtung 190 eine Regelspannung an die Regeleinrichtung 200. Unter Ansprechen auf die Regelspannung stellt die Regeleinrichtung 200 eine Ausgangsspannung Uout derart einstellt, dass die Drain-Source-Spannung des Transistors 160 mittels der Erkennungseinrichtung 190 auf den vorbestimmten Spannungswert eingestellt und ein Ausgangsstrom, der proportional der maximal zulässigen Eingangsspannung ist, durch die Bürde 242 getrieben werden kann.
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Auf diese Weise kann, wie bereits hinsichtlich der Stromausgangsstufe 10 erläutert, auch an die Stromausgangsstufe 130 ein aktiver Empfänger angeschlossen werden, dessen externe Spannungsquelle allein nicht ausreicht, einen Ausgangsstrom, der proportional einer maximal zulässigen Eingangsspannung ist, durch die Bürde des aktiven Empfängers zu treiben.
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Angemerkt sei, dass die Regeleinrichtung 70 der Stromausgangsstufe 10 und die Regeleinrichtung 200 der Stromausgangsstufe 130 jeweils als Schaltnetzteil, beispielsweise als Step-Down-Wandler, wie er 3 dargestellt, oder als SEPIC-Wandler, wie in 4 dargestellt, ausgebildet sein können. Bei Anschluss eines aktiven Empfängers wird die Ausgangsspannung der Regeleinrichtung (70; 200) durch die Regelspannung (72; 202) auf 0V geregelt, indem die Schalteinrichtungen (91; 102) abgeschaltet werden. In diesem Fall wird die Diode 75 der Stromausgangsstufe 10 beziehungsweise die Diode 220 der Stromausgangsstufe 130 als Rückflusspfad nicht mehr benötigt, da der zum Anschalten eines aktiven Empfängers erforderliche Rückflusspfad durch eine Diode 92 des Step-Down-Wandlers 90 oder durch eine Induktivität 104 und eine Diode 107 des SEPIC-Wandlers 100 realisiert wird. In an sich bekannter Weise enthält der Step-Down-Wandler 90 weiterhin eine Schalteinrichtung 91, eine Induktivität 93, eine Kapazität 94. Die Schalteinrichtung 91 kann als pnp-Transistor realisiert sein, wobei der Emitter-Anschluss mit der Spannungsquelle 80 beziehungsweise der Spannungsquelle 210 verbunden sein kann, während der Ausgang des Step-Down-Wandlers 90 mit dem Ausgangsanschluss 14 beziehungsweise am Drain-Anschluss 162 des Transistors 160 verbunden werden kann.
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In an sich bekannter Weise enthält der in 4 gezeigte SEPIC-Wandler 100 weiterhin eine Induktivität 101, eine Schalteinrichtung 102 eine Kapazität 103, eine weitere Induktivität 104 sowie eine weitere Kapazität 106. In diesem Fall kann die Induktivität 101 mit der internen Spannungsquelle 80 beziehungsweise 210 verbunden werden, während die Kathode der Diode 107 mit dem Ausgangsanschluss 14 beziehungsweise dem Drain-Anschluss 162 des Transistors 160 verbunden werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010038152 A1 [0005]
- EP 2656334 B1 [0006, 0008, 0008, 0008]
