DE112014001901B4

DE112014001901B4 - Schutzschaltung für eine Signalausgangs-Stufe

Info

Publication number: DE112014001901B4
Application number: DE112014001901.1T
Authority: DE
Inventors: Heinz Walter
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2020-01-23
Anticipated expiration: 2034-04-11
Also published as: CN105264662B; CN105264662A; DE112014001901A5; DE102013206412A1; WO2014167064A1; US20160049785A1; US10211628B2

Abstract

Schutzschaltung für eine Ausgangsendstufe (5) bei fehlerhafter Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse (2, 3, 4),wobei die Ausgangsendstufe (5) aus einer Treibereinheit besteht und einen Versorgungsplus-Anschluss (2), einen Versorgungsminus-Anschluss (3) sowie einen analogen oder digitalen Signalausgang (4) aufweist und die fehlerhafte Kontaktierung darin besteht, dass der Versorgungsminus-Anschluss (3) an die positive Versorgungsspannung und der Signalausgang (4) an die negative Versorgungsspannung angeschlossen ist,mit einem ersten Transistor (T1), dessen Kollektor mit der Ausgangsendstufe (5) und dessen Emitter mit dem Signalausgang (4) verbunden ist,wobei zwischen Kollektor und Basis ein erster Widerstand geschaltet ist, und einem zweiten Transistor (T2), dessen Basis über einen zweiten Widerstand mit dem Versorgungsminus-Anschluss (3) verbunden ist,wobei der zweite Transistor (T2) sowohl invers als auch nichtinvers betreibbar ist, so dass entweder dessen Kollektor im inversen Betrieb oder dessen Emitter im nichtinversen Betrieb mit dem Signalausgang (4) verbunden ist,wobei im inversen Betrieb des zweiten Transistors (T2) dessen Emitter und im nichtinversen Betrieb dessen Kollektor mit der Basis des ersten Transistors (T1) verbunden ist, um den ersten Transistor (T1) derart zu beeinflussen, dass dieser im genannten Fehlerfall hochohmig wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für eine Ausgangsendstufe bei fehlerhafter Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse, wobei die Ausgangsendstufe aus einer Treiberschaltung besteht und einen analogen oder digitalen Signalausgang aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Sensorschaltung zur Bestimmung einer physikalischen Prozessgröße.
In der Automatisierungs- und Prozesstechnik kommen häufig Sensoren bzw. Messgeräte zum Einsatz, die den erfassten Messwert - z.B. Druck, Temperatur, Durchfluss, aber auch Abstand oder Vibration - in ein diesen Messwert repräsentierendes Ausgangssignal in Form eines analogen Strom- oder Spannungssignals umwandeln und dieses Signal an ihrem Kabel- oder Steckeranschluss zur weiteren Verarbeitung anbieten, bspw. einer SPS. Damit diese Signale auswertbar sind, müssen sie zuvor verstärkt werden, was zumeist in einer Treiberstufe erfolgt, die als separater oder kombinierter Chip auf der Platine im Sensorgehäuse angeordnet ist. Ein solcher Chip ist bspw. der AD5410 von Analog Devices.
Diese Ausgangsendstufen können jedoch bei fehlerhaftem Anschluss schnell zerstört werden. Die am Treiberausgang obligatorisch integrierten ESD-Schutzdioden wirken bestimmungsgemäß gegen Spannungstransienten, denen der Treiberausgang auch bei normaler Handhabung durch das Herausführen aus dem Sensor ausgesetzt sein kann. Wird aber bspw. der Versorgungsminus-Anschluss (= Masse) an die positive Versorgungsspannung (UB+) angeschlossen und der Ausgangsanschluss an die negative Versorgungsspannung (UB-), fließt ein Kurzschlussstrom durch jene ESD-Schutzdiode, welche zwischen Masse und Treiberausgang verbunden ist. Auch kommt es bei Messgeräten mit hoher Betriebsstromaufnahme beim Nichtanschließen des Versorgungsminus-Anschlusses zur Zerstörung, da der gesamte Betriebsstrom des Gerätes durch die ESD-Schutzdiode fließt und täuscht durch die dadurch scheinbar korrekte Funktion einen korrekten Anschluss vor, bis die ESD-Schutzdiode wegen Überlastung zerstört wird.
Eine denkbare Lösung sieht vor, eine ausreichend leistungsfähige Schutzdiode dem Analogausgang gegen Masse parallel zu schalten und zwischen der Ausgangsendstufe und dem eigentlichen Signalausgang einen Widerstand vorzusehen, der im Falle eines Kurzschlusses den Strom begrenzt. Dazu darf der Widerstand jedoch nicht besonders hochohmig sein, um den entstehenden Spannungsabfall im Normalbetrieb nicht allzu sehr zu erhöhen, er muss deshalb aber eine gewisse Leistungsklasse aufweisen, um die durch den Kurzschlussstrom erzeugte Wärmeentwicklung auszuhalten. Derartige Bauteile sind jedoch groß und teuer, so dass deren Einbau schwierig und unwirtschaftlich ist.
Aus der US 2007/0145484 A1 ist bekannt, einen ESD-Schutz durch einen Schutz-Transistors zu erreichen, der parallel zum Endstufen-Transistor geschaltet ist.
Die US 2009/0141412 A1 betrifft eine Schnittstelle, über die elektrische Geräte mit einer Busleitung verbunden sind. Mittels einer speziellen Schaltung wird verhindert, dass Restenergie im elektrischen Gerät in die Busleitung zurückfließt, wenn die Stromquelle von der Busleitung getrennt ist. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ausgangsendstufe auf einfache und preisgünstige Weise vor einem fehlerhaften Anschluss zu schützen.
Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sensorschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 2 und des Weiteren durch eine Sensorschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Wie bereits einleitend dargelegt, sind die auf dem Chip integrierten ESD-SchutzDioden nicht ausreichend robust, um die genannten Fehlerfälle ohne Beschädigung bzw. Zerstörung zu überstehen. Kern der Erfindung ist es demnach, die Treiberstufe so zu ergänzen, dass im Falle einer fehlerhaften Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse die Ausgangsendstufe geschützt ist.
Dafür weist die Schaltung, die eine Ausgangsendstufe, bestehend aus einer Treibereinheit und einem analogen oder digitalen Signalausgang, im Falle einer fehlerhaften Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse schützen soll, erfindungsgemäß einen ersten Transistor, dessen Kollektor mit der Ausgangsendstufe und dessen Emitter mit dem Signalausgang verbunden ist, wobei zwischen Kollektor und Basis ein erster Widerstand geschaltet ist, und einen zweiten Transistor, dessen Basis über einen zweiten Widerstand mit dem Versorgungsminus-Anschluss verbunden ist, wobei der zweite Transistor sowohl invers als auch nichtinvers betreibbar ist, so dass entweder dessen Kollektor im inversen Betrieb oder dessen Emitter im nichtinversen Betrieb mit dem Signalausgang verbunden ist, auf. Dabei ist im inversen Betrieb des zweiten Transistors dessen Kollektor und im nichtinversen Betrieb dessen Emitter mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist, um den ersten Transistor derart zu beeinflussen, dass dieser im genannten Fehlerfall hochohmig wird.
Die hinzugefügten Transistorschaltungen stellen somit eine Erweiterung dar, die sowohl auf dem Chip integriert, als auch außerhalb des Chips angeordnet sein kann.
Im Normalfall ist die erste Transistorschaltung niederohmig, so dass über ihr kaum Spannung abfällt. Kommt es jedoch zu einer falschen Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse, beeinflusst die zweite Transistorschaltung die erste derart, dass diese hochohmig wird und damit für einen Widerstand sorgt, der den Stromfluss unterbricht und damit die Treiberstufe vor der Zerstörung durch einen Kurzschlussstrom schützt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Transistorschaltung invers betrieben wird, so dass der Emitter der zweiten Transistorschaltung mit der Basis der ersten Transistorschaltung verbunden ist. Das hat den Vorteil, dass ein versehentlich von außen angelegter Spannungspegel am Signalausgang nicht zum Durchbrechen der Basis-Emitter-Strecke des Transistors der zweiten Transistorschaltung führt.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Signalausgang entweder als Spannungsausgang mit 0 bis 10 V oder als Stromausgang mit 4 bis 20 mA ausgeführt ist. Im Falle eines Spannungsausgangs ist jedoch eine hochohmige Feedback-Leitung zur Treibereinheit nötig.
Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine Sensorschaltung mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung nach einer ersten Ausführungsform und
2 eine Sensorschaltung mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung nach einer zweiten Ausführungsform.

Die 1 zeigt eine Sensorschaltung, bestehend aus einem Sensorelement 11 mit einer integrierten Verstärkereinheit, einem A/D-Wandler 12, einem digitalen Signalprozessor 13 zur Signalkonditionierung und einer Treibereinheit 5, die vom Signalprozessor 13 über ein digitales Protokoll angesprochen wird und über einen integrierten D/A-Wandler verfügt. Am Versorgungsplus-Anschluss 2 ist neben den beiden Schutzdiode, die für den Fall einer Verpolung vorgesehen sind, ein Spannungs- bzw. Längsregler 10 angeordnet. Das Sensorelement 11 ist bevorzugt als Vibrationssensor ausgeführt, kann allerdings auch zur Erfassung anderer denkbarer Messwerte als Druck-, Temperatur-, Durchfluss- bzw. Strömungs- oder als Abstandssensor auf induktiver, kapazitiver oder optischer Basis ausgeführt sein.
Die Sensorschaltung ist am Ausgang der Treiberstufe 5 erweitert um die erfindungsgemäße Schutzschaltung 1, die zwischen der Treiberstufe 5 und dem analogen Signalausgang 4 angeordnet ist. Die Treiberstufe ist bevorzugt als AD5410-Chip von Analog Devices ausgeführt. Durch den inversen Betrieb der zweiten Transistorschaltung T2 ergibt sich der Vorteil, dass ein versehentlich von außen angelegter Spannungspegel am Signalausgang 4 nicht zum Durchbrechen der Basis-Emitter-Strecke des Transistors der zweiten Transistorschaltung T2 führt.
Die in dem Chip der Treiberstufe 5 integrierte Schutzdiode 5a wirkt lediglich gegen Spannungstransienten, denen der Analogausgang 4 auch bei normaler Handhabung durch das Herausführen aus dem Sensor aufgrund elektrostatischer Entladung ausgesetzt sein kann. Wird aber der Versorgungsminus-Anschluss 3 an die positive Versorgungsspannung (UB+) angeschlossen und der Ausgangsanschluss 4 an die negative Versorgungsspannung (UB-), fließt ein Kurzschlussstrom durch jene ESD-Schutzdiode 5a, welche in Durchlassrichtung zwischen Masse und Analogausgang 4 verbunden ist. Auch kommt es bei Messgeräten mit hoher Betriebsstromaufnahme beim Nichtanschließen des Versorgungsminus-Anschlusses 3 zur Zerstörung, da der gesamte Betriebsstrom des Gerätes durch die ESD-Schutzdiode 5a fließt und täuscht durch die dadurch scheinbar korrekte Funktion einen korrekten Anschluss vor, bis die ESD-Schutzdiode 5a wegen Überlastung zerstört wird.
In diesen Fällen beeinflusst die zweite Transistorschaltung T2 die erste Transistorschaltung T1 derart, dass diese hochohmig wird, während sie im Normalfall niederohmig ist. Damit wird der Kurzschlussstrom unterbrochen und die Treiberstufe 5 geschützt.
Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung 1 ist in 2 dargestellt. Der Unterschied zur Ausführung nach 2 ist, dass die zweite Transistorschaltung T2 im Normalbetrieb, d.h. nicht invers, geschaltet ist. Die Ausführungsform mit inversem Transistor T2 kann nur bis etwa 7 V betrieben werden, was bei einem Stromausgang von 20 mA einer Bürde von 350 Ohm entspricht. Wenn dem Transistor T2 in Reihe zur Basis eine Diode geschaltet ist, kann er normal betrieben werden und es sind Spannungen größer 7 V und damit auch einer größeren Bürde möglich. Der Vorteil der Ausführung mit inversem Transistor T2 liegt jedoch darin, dass die Schaltung im Verpolfall sensibler reagiert als mit einem Transistor T2 im Normalbetrieb.

Claims

Schutzschaltung für eine Ausgangsendstufe (5) bei fehlerhafter Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse (2, 3, 4), wobei die Ausgangsendstufe (5) aus einer Treibereinheit besteht und einen Versorgungsplus-Anschluss (2), einen Versorgungsminus-Anschluss (3) sowie einen analogen oder digitalen Signalausgang (4) aufweist und die fehlerhafte Kontaktierung darin besteht, dass der Versorgungsminus-Anschluss (3) an die positive Versorgungsspannung und der Signalausgang (4) an die negative Versorgungsspannung angeschlossen ist, mit einem ersten Transistor (T1), dessen Kollektor mit der Ausgangsendstufe (5) und dessen Emitter mit dem Signalausgang (4) verbunden ist, wobei zwischen Kollektor und Basis ein erster Widerstand geschaltet ist, und einem zweiten Transistor (T2), dessen Basis über einen zweiten Widerstand mit dem Versorgungsminus-Anschluss (3) verbunden ist, wobei der zweite Transistor (T2) sowohl invers als auch nichtinvers betreibbar ist, so dass entweder dessen Kollektor im inversen Betrieb oder dessen Emitter im nichtinversen Betrieb mit dem Signalausgang (4) verbunden ist, wobei im inversen Betrieb des zweiten Transistors (T2) dessen Emitter und im nichtinversen Betrieb dessen Kollektor mit der Basis des ersten Transistors (T1) verbunden ist, um den ersten Transistor (T1) derart zu beeinflussen, dass dieser im genannten Fehlerfall hochohmig wird.
Schutzschaltung für eine Ausgangsendstufe (5) bei fehlerhafter Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse (2, 3, 4), wobei die Ausgangsendstufe (5) aus einer Treibereinheit besteht und einen Versorgungsplus-Anschluss (2), einen Versorgungsminus-Anschluss (3) sowie einen analogen oder digitalen Signalausgang (4) aufweist und die fehlerhafte Kontaktierung im Nichtanschließen des Versorgungsminus-Anschlusses (3) besteht, mit einem ersten Transistor (T1), dessen Kollektor mit der Ausgangsendstufe (5) und dessen Emitter mit dem Signalausgang (4) verbunden ist, wobei zwischen Kollektor und Basis ein erster Widerstand geschaltet ist, und einem zweiten Transistor (T2), dessen Basis über einen zweiten Widerstand mit dem Versorgungsminus-Anschluss (3) verbunden ist, wobei der zweite Transistor (T2) sowohl invers als auch nichtinvers betreibbar ist, so dass entweder dessen Kollektor im inversen Betrieb oder dessen Emitter im nichtinversen Betrieb mit dem Signalausgang (4) verbunden ist, wobei im inversen Betrieb des zweiten Transistors (T2) dessen Emitter und im nichtinversen Betrieb dessen Kollektor mit der Basis des ersten Transistors (T1) verbunden ist, um den ersten Transistor (T1) derart zu beeinflussen, dass dieser im genannten Fehlerfall hochohmig wird.
Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalausgang (4) als Spannungsausgang mit 0 bis 10 V ausgeführt ist.
Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalausgang (4) als Stromausgang mit 4 bis 20 mA ausgeführt ist.
Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalausgang (4) als binäre, insbesondere als RS232- oder RS485-Schnittstelle ausgeführt ist.
Sensorschaltung zur Bestimmung einer physikalischen Prozessgröße, bestehend aus einem Sensorelement (11), einer Verstärkereinheit, einem A/D-Wandler (12), einem digitalen Signalprozessor (13), einer Ausgangsendstufe (5) und einem analogen Signalausgang (4), wobei die Ausgangsendstufe (5) eine Treibereinheit umfasst, die vom Signalprozessor (13) über ein digitales Protokoll angesprochen wird und über einen integrierten D/A-Wandler verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ausgangsendstufe (5) und dem Signalausgang (4) eine Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.