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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Feldinstrument. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
einen Eingangsschaltkreis in dem Feldinstrument, das Energie von
einer Übertragungsschleife erhält.
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Prozesssteuerungssysteme werden bei
der Fertigung und in anderen Prozesssteuerungsumgebungen zum Überwachen
und Steuern des Prozessvorgangs verwendet. In einem herkömmlichen
Prozesssteuerungssystem werden Instrumente im Feld angeordnet, um
die Prozesssteuerung zu implementieren. Derartige Instrumente (die
für gewöhnlich als Feldinstrumente
oder Sender bezeichnet werden) können üblicherweise
eine Peripherievorrichtung sowie eine die Peripherievorrichtung
unterstützende Schaltkreisanordnung
einschließen.
Das Feldinstrument ist an eine Übertragungsschleife
gekoppelt (d.h. ein Netzwerksegment des Prozesssteuerungssystems)
und sendet Informationen über
die Übertragungsschleife
an andere Abschnitte des Prozesssteuerungssystems. Die Übertragungsschleife
ist für gewöhnlich eine
Zwei draht-Schleife, die Energie für den Betrieb des Feldinstruments
bereitstellt. Die Übertragung
erfolgt über
die Schleife durch eine Fieldbus-Norm, bei der es sich um ein digitales Übertragungsprotokoll
handelt.
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Die Feldinstrumente können typischerweise einen
Sender, einen Prozessvariablen-Steuerschaltkreis oder einen im Feld
montierten Regler einschließen.
Ein Sender weist einen Sensor auf, der in dem Feld angeordnet ist
und eine Variable des Prozesses überwacht,
wie z. B. Druck, Temperatur oder Durchflussmenge, wie es in der
WO 88/01417 beschrieben ist. Der Sender ist an die Übertragungsschleife
gekoppelt und sendet Informationen über die Übertragungsschleife an einen
Regler, der den Prozessvorgang überwacht.
Eine die Fieldbus-Norm einsetzende Senderübertragung lässt zu,
dass mehr als ein Sender an eine einzige Übertragungsschleife zum Senden
der erfassten Prozessvariablen an die Steuerwarte gekoppelt sind.
Die diese Übertragung
beschreibende Fieldbus-Norm ist in der ISA 50.02-1992, Paragraph
11 beschrieben. Die HART®-Norm ist eine weitere Übertragungsnorm,
die eine digitale Übertragung über ein
4–20 mA-Prozessvariablensignal
zulässt.
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Falls das Feldinstrument einen Prozessvariablen-Steuerschaltkreis
aufweist, handelt es sich bei dem Peripheriegerät für gewöhnlich um ein Ventil oder eine
andere steuerbare Vorrichtung zum Steuern eines Aspekts des Prozesses.
Die Stellung des Ventils zusammen mit anderen gewünschten
Parametern wird überwacht
und das Ventil wird mit Hilfe des Prozessvariablen-Steuerschaltkreises
in eine gewünschte
Position gebracht. Herkömmliche
Prozessvariablen-Steuerschaltkreise schließen einen Mikroprozessor, einen
Mikroregler oder einen anderen geeigneten Regler ein, der Berechnungen
und eine Signalkorrektur durchführt,
und welcher auch die Übertragung über die Übertragungsschleife
erleichtert.
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Falls es sich bei dem Feldinstrument
um einen im Feld montier ten Regler handelt, schließt dieser
keine Peripherievorrichtung an sich ein. Anstelle dessen ist er
an die Übertragungsschleife
gekoppelt und kann typischerweise eine Vielzahl von Sendern abrufen,
um ein Signal zu empfangen, das einen oder mehrere erfasste Parameter
anzeigt. Der im Feld montierte Regler führt dann eine gewünschte Berechnung
aus und liefert ein Ergebnissignal über die Übertragungsschleife zur Verwendung
in anderen Abschnitten des Prozesssteuerungssystems.
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In jedem Fall wird das Feldinstrument
mit Hilfe der Übertragungsschleife
entweder durch einen Wechselstrom oder durch eine Gleichstromspannung
betrieben. Wenn Wechselstrom angelegt wird, führt ein Eingangsschaltkreis
in dem Feldinstrument eine Gleichrichtung des Wechselstromsignals
durch, so dass dieses an die restlichen Abschnitte der Schaltkreisanordnung
in dem Feldinstrument weitergeleitet werden kann. Wenn eine Gleichstromspannung
angelegt wird, ist es wünschenswert,
dass das Feldinstrument so konfiguriert ist, dass die Gleichstromspannungsversorgung
in jeder Polarität
an das Feldinstrument angeschlossen werden kann (d.h. das Feldinstrument
arbeitet bei beliebiger Ausrichtung der positiven und negativen
Stromversorgungsanschlüsse
an dem Feldinstrument).
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Einige Feldinstrumente des Stands
der Technik weisen einen Dioden-Brückengleichrichter-Schaltkreis
auf. Ein solcher Schaltkreis resultiert jedoch in einem Spannungsabfall
im Schaltkreis von ungefähr
0,6 bis 1,4 Volt. Aus diesem Grund ist die dem übrigen Feldinstrument zur Verfügung stehende Spannung
erheblich geringer als die, die von den Anschlüssen der Stromversorgung bereitgestellt
wird. Dies verringert sowohl die Leistungseffizienz als auch die
maximale Ausgangsspannung des Brückengleichrichters.
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Das europäische Patent Nr. 0,023,683
beschreibt einen Gleichrichter-Brückenschaltkreis, in welchem
vier Transistoren Gleichrichterelemente in einer Brückengleichrichter-Anordnung schaffen,
wobei die Elemente paarweise nach Leitfähigkeitstyp angeordnet sind,
und ein Zener Diodenpaar über
die Gleichrichter angeschlossen ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung schafft
ein Feldinstrument in einem Prozesssteuerungssystem, wobei das Feldinstrument
Folgendes aufweist: eine Peripherievorrichtung; einen Peripherievorrichtungs-Verarbeitungsschaltkreis;
sowie einen Energieversorgungs-Eingangsschaltkreis, der an den Peripherievorrichtungs-Verarbeitungsschaltkreis
angeschlossen ist und an eine Übertragungsschleife
anschließbar
ist; wobei das Feldinstrument dadurch gekennzeichnet ist, dass der
Energieversorgungs-Eingangsschaltkreis einen Transistor-Brückengleichrichter, der
so konfiguriert ist, dass er Energie von der Übertragungsschleife erhält und dass
er Energie an den Peripherievorrichtungs-Verarbeitungsschaltkreis
liefert und eine Umwandlungsvorrichtung einschließt, die
zwischen der Peripherievorrichtung und dem Peripherievorrichtungs-Verarbeitungsschaltkreis
angeschlossen ist; und dass das Instrument weiter einen aktiven
Vorspannungsschaltkreis aufweist, der an den Brückengleichrichter zur aktiven
Steuerung des Transistor-Brückengleichrichters
basierend auf einem gewünschten
Eingabeparameter angeschlossen ist und dadurch eine Vorspannung
zur Ausführung
einer Steuerungsfunktion liefert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
weist das Feldinstrument ein Peripheriegerät auf, bei dem es sich um eine
steuerbare Vorrichtung zum Steuern einer Prozessvariablen handelt.
Typischerweise kann es sich bei einer derartigen Vorrichtung um
ein Ventil handeln. Der Peripherievorrichtungs-Verarbeitungsschaltkreis
schließt
einen Prozessvariablen-Steuerschaltkeis zum Steuern des Ventils
ein.
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In einer anderen Ausführungsform
weist die Peripherievorrichtung einen Sensor zum Messen einer Prozessvariaben
auf. Der Peripherievorrichtungs-Verarbeitungsschaltkreis schließt einen
Sender zum Empfangen eines von einem Sensor gelieferten Sensorsignals
und zum Senden des Signals an ein Steuerungsgerät ein, welches das Sensorsignal
empfängt
und einen Prozess basierend auf dem empfangenen Sensorsignal steuert.
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In noch einer anderen Ausführungsform schließt das Feldinstrument
einen im Feld montierten Regler ein. Der Regler ist zur Übertragung über eine Übertragungsschleife
angeschlossen.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
mehrerer Ausführungsformen
der Erfindung anhand der Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigen:
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1 ein
vereinfachtes Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Feldinstruments, das an eine Übertragungsschleife
gekoppelt ist;
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2 einen
Eingangsschaltkreis gemäß dem Stand
der Technik;
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3 eine
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Eingangsschaltkreises;
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4 eine
zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Eingangsschaltkreises;
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5 einen
Abschnitt eines Eingangsschaltkreises, der eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform
einsetzt;
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6 einen
detaillierteren Abschnitt des Eingangsschaltkreises von 5; und
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7 eine
Implementierung der vorliegenden Erfindung in einer Fieldbus-Mehrpunkt-Konfiguration.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist
ein vereinfachtes Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Feldinstruments 10.
Das Feldinstrument 10 kann als Sender, ein Prozessvariablen-Regler
oder als ein im Feld montierter Regler konfiguriert sein. In den
Ausführungsformen,
in denen das Feldinstrument 10 als Sender oder als Prozessvariablen-Regler
konfiguriert ist, weist das Feldinstrument 10 eine Peripherievorrichtung 12 und
einen Peripherievorrichtungs-Verarbeitungsschaltkreis 14 auf.
Der Peripherievorrichtungs-Verarbeitungsschaltkreis 14 ist
an eine Übertragungsschleife 16 gekoppelt.
In der Ausführungsform,
in welcher das Feldinstrument 10 als im Feld montierter
Regler konfiguriert ist, weist dieses nicht unbedingt eine Peripherievorrichtung 12 (oder
einen nachfolgend beschriebenen Umwandlungsschaltkreis 21)
auf.
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Bei der Übertragungsschleife 16 handelt
es sich wahlweise um eine 4–20
mA-Schleife, die mit einer Steuerwarte oder einer Stromversorgung 15 gekoppelt
ist. Die Steuerwarte 15 kann als Spannungsversorgung 17 ausgelegt
sein, die auf bekannte Art und Weise mit einem Widerstand 19 in
Reihe geschaltet ist.
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Das Feldinstrument 10 wird
vollständig
mit Hilfe einer Übertragungsschleife 16 betrieben
und kann entweder in einem Strommodus oder in einem Spannungsmodus
arbeiten. Im Strommodus wird die an das Feldinstrument 10 gelieferte
Energie durch Anlegen eines Stroms über die Übertragungsschleife 16 an
die Eingangsanschlüsse
des Feldinstruments 10 erreicht. In einer bevorzugten Ausführungsform basiert
die Stromversorgung auf einem Wechselstrom mit einer Stärke von
ungefähr
16 kHz. Ein Übertragungssignal überlagert
den Wechselstrom bei einer Frequenz von ungefähr 1 Hz.
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Im Spannungsmodus wird die an das
Feldinstrument 10 gelieferte Energie erzeugt, indem eine symmetrische
Spannung über
eine Übertragungsschleife 16 an
die Eingangsanschlüsse
des Feldinstruments 10 angelegt wird. Im Spannungsmodus
leiten die an die Anschlüsse
des Feldinstruments 10 gekoppelten Drähte auch das digitale Übertragungssignal.
In einer bevorzugten Ausführungsform
geht man davon aus, dass jedes Feldinstrument 10 eine Stromsenke
ist, die ungefähr
10 mA des Stroms von der Schleife 16 abzieht. Die Übertragungssignale überlagern
das 10 mA-Versorgungsstromsignal mit einem Spitzenpegel von ungefähr 9 mA.
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Falls das Feldinstrument 10 als
Sender oder als Prozessvariablen-Steuerschaltkreis konfiguriert ist,
weist das Feldinstrument 10 eine Peripherievorrichtung 12,
einen Umwandlungsschaltkreis 21, eine Verarbeitungs-Schaltkreisanordnung 22,
einen Schnittstellenschaltkreis 24, einen Energieversorgungs-Eingangsschaltkreis 26 und
wahlweise einen Kapazitätsisolierungsschaltkreis 25 auf.
Falls das Feldinstrument 10 als Sender konfiguriert ist,
dann handelt es sich bei der Peripherievorrichtung 12 um einen
Sensor, welcher eine mit einem Parameter des Prozesses in Zusammenhang
stehende Prozessvariable, wie z. B. Temperatur, Druck oder Durchflussmenge,
misst. Die Peripherievorrichtung 12 liefert ein die Prozessvariable
wiedergebendes Sensorsignal an den Wandler 21, der das
Signal in eine digitale Form umwandelt und dieses dann an die Verarbeitungs-Schaltkreisanordnung 22 liefert,
welche die Prozessvariable verarbeitet. Die Verarbeitungs-Schaltkreisanordnung 22 kann
Fehler im Sensor korrigieren (oder kompensieren) oder andere Berechnungen über die
Prozessvariable ausführen,
und ist in Form eines Mikroprozessors realisiert. Die Verarbeitungs- Schaltkreisanordnung 22 ist
an die Schnittstellen-Schaltkreisanordnung 24 gekoppelt und
steuert die Weiterleitung eines die korrigierte Prozessvariable
wiedergebenden Signals durch die Schnittstellen-Schaltkreisanordnung 24 auf
der Übertragungsschleife 16 über den
Eingangsschaltkreis 26 und einen optionalen Kapazitäts-Isolierungsschaltkreis 25.
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In der Ausführungsform, in welcher das
Feldinstrument 10 einen Prozessvariablen-Steuerschaltkreis
aufweist, umfasst die Peripherievorrichtung 12 für gewöhnlich eine
steuerbare Vorrichtung, wie z. B. ein Ventil oder einen Schalter,
zum Steuern einiger Parameter des zu steuernden Prozesses. Die Verarbeitungs-Schaltkreisanordnung 22 in
dieser Ausführungsform
weist typischerweise einen Mikroprozessor, einen Mikroregler oder
einen anderen geeigneten Steuerschaltkreis zum Empfangen von Befehlen auf
der Übertragungsschleife 16 über die
Schnittstelle 24 auf, sowie zum Steuern der Peripherievorrichtung 12 basierend
auf den empfangenen Befehlen. In dieser Ausführungsform handelt es sich
bei dem Umwandlungsschaltkreis 21 um einen Digital-Analog-Wandler
oder einen anderen geeigneten Wandler, der das digitale Steuersignal
vom Schaltkreis 22 in ein analoges Signal umwandelt (oder
falls angebracht als digitales Signal beibehält), wobei das Signal dann
an das die Peripherievorrichtung 12 aufweisende Ventil
angelegt wird. In dieser Ausführungsform
kann das Feldinstrument 10 auch einen Strom-Druck-Regler
aufweisen. Die Verarbeitungs-Schaltkreisanordnung 22 empfängt einen Steuerstrom
auf der Übertragungsschleife 16 über die
Schnittstelle 24 und wandelt den Steuerstrom in einen Druck
um, indem ein Ventil gesteuert wird. Die Verarbeitungs-Schaltkreisanordnung 22 in
einer derartigen Ausführungsform
würde auch
bei der Durchführung
einer derartigen Steuerung eine Rückkopplung von der Peripherievorrichtung 12 empfangen.
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In der Ausführungsform, in welcher das
Feldinstrument 10 ein im Feld montierter Regler ist, muss es
auch nicht unbedingt mit einer Peripherievorrichtung 12 oder
einem Umwandlungsschaltkreis 21 verbunden sein. Vielmehr
ruft der Regler einen oder mehrere Sender ab und empfängt Signale,
die die gemessenen Parameter über
die Übertragungsschleife 16 wiedergeben.
Die Verarbeitungs-Schaltkreisanordnung 22 führt gewünschte Berechnungen basierend
auf den empfangenen Signalen aus und liefert ein Ergebnis-Ausgangssignal
auf der Schleife 16, das in anderen Abschnitten der Prozesssteuerungsumgebung
eingesetzt werden soll.
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Der Kapazitäts-Isolierungsschaltkreis 25 ist wahlweise
vorgesehen. Kurz zusammengefasst weist der Kapazitäts-Isolierungsschaltkreis 25 ein Isolierungsnetzwerk
auf, das zwischen der übrigen Schaltkreisanordnung
in dem Feldinstrument 10 und der Übertragungsschleife 16 gekoppelt
ist. Das Isolierungsnetzwerk arbeitet so, dass es die Entladung der
in der Wirkkapazität
des Feldinstruments 10 gespeicherten Energie auf die Übertragungsschleife 16 verhindert.
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Der Energieversorgungs-Eingangsschaltkreis 26 führt eine
Reihe von Funktionen aus. Falls das Feldinstrument 10 im
Strommodus (in welchem das an das Feldinstrument 10 gelieferte
Stromsignal in Form eines Wechselstroms vorliegt) betrieben wird,
führt der
Energieversorgungs-Eingangsschaltkreis 26 eine Gleichrichtung
des Wechselstroms durch, so dass dieser dazu verwendet werden kann, Energie
an die restlichen Abschnitte des Feldinstruments 10 zu
liefern. Falls das Feldinstrument 10 im Spannungsmodus
(in welchem das an das Feldinstrument 10 gelieferte Stromsignal
in Form eines Gleichstroms vorliegt) betrieben wird, ist der Energieversorgungs-Eingangsschaltkreis 26 so
konfiguriert, dass er eine Kopplung der Gleichstrom-Eingangsversorgung
an das Feldinstrument 10 in beiden Polaritäten zulässt. Es
ist daher nicht von Bedeutung, dass der das System installierende
Maschinenbediener die Energieversorgung in einer bestimmten Polarität anschließt.
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2 ist
ein schematisches Diagramm des Energieversorgungs-Eingangsschaltkreises 26' gemäß dem Stand
der Technik. Der Schaltkreis 26' umfasst die Dioden D1, D2, D3
und D4, die in einer Dioden-Brückengleichrichter-Anordnung
verbunden sind. Der Schaltkreis 26' weist Nachteile auf, die offensichtlich
sind, wenn man davon ausgeht, dass das den Schaltkreis 26' enthaltende
Feldinstrument im Spannungsmodus betrieben wird. In diesem Fall
wird eine Gleichstromspannung an die Anschlüsse der Übertragungsschleife 16 angelegt,
so dass jeder der beiden Anschlüsse
ein unterschiedliches Spannungspotential (entweder VIN1 oder
VIN2) aufweist. Abhängig von der Polarität der Stromversorgung
(d.h. abhängig
davon, welchen Anschluss der Übertragungsschleife 16 der
Maschinenbediener an welchen Anschluss des Feldinstruments 10 angeschlossen hat)
hat entweder VIN1 oder VIN2 ein
höheres
Spannungspotential. Die gegenwärtige
Diskussion wird unter der Annahme weitergeführt, dass VIN1 höher als VIN2 ist.
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In diesem Fall sind die Dioden D1
und D4 in Vorwärtsrichtung
vorgespannt und die die Dioden D2 und D3 sind sperr-vorgespannt
und nichtleitend. Es ist ersichtlich, dass die. Dioden D1 und D4
jeweils die Ausgangsspannung VOUT um einen
Betrag VD reduzieren, der dem Spannungsabfall
an den in Vorwärtsrichtung
vorgespannten Dioden entspricht. Der Spannungsabfall VD für eine gewöhnliche
Diode beträgt
in etwa 0,7 Volt. Schottky-Dioden haben einen VD von ungefähr 0,3 Volt,
wobei sie jedoch erheblich teurer als herkömmliche Dioden sind. Aus diesem Grund
bewirkt der Schaltkreis 26' einen
Spannungsabfall (VIN– VOUT),
der doppelt so groß ist
wie die Vorwärtsdiodenspannung
VD der Dioden D1 bis D4. Dies sind ungefähr 0,6 Volt bis 1,4 Volt.
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Da die Ausgangsspannung VOUT eine Spannung ist, die an die verbleibenden
Abschnitte des Feldinstruments 10 geliefert wird, bewirkt
der Energieversorgungs-Eingangsschaltkreis 26' einen erheblichen
Spannungsabfall, der den Leistungsgrad und die maximale Ausgangsspannung
des Energieversorgungs-Eingangsschaltkreises 26' reduziert. Natürlich weist
der Schaltkreis 26' die
selben Nachteile auch dann auf, wenn die Gleichstrom-Energieversorgung
in umgekehrter Polarität
vorgesehen ist. In diesem Fall sind die Dioden D2 und D4 in Vorwärtsrichtung
vorgespannt und die Dioden D1 und D3 sind sperr-vorgespannt und
nichtleitend. Auf diese Weise beträgt der durch den Schaltkreis 26' in dieser Anordnung
bewirkte Spannungsabfall immer noch das Doppelte von VD (für die Dioden
D2 und D3).
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3 zeigt
eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Energieversorgungs-Eingangsschaltkreis 26.
Der in 3 gezeigte Energieversorgungs-Eingangsschaltkreis 26 weist
bipolare Sperrschichttransistoren Q1, Q2, Q3 und Q4, sowie Vorpannungs-Widerstände R1,
R2, R3 und R4 auf. 3 schließt zudem
Eingangswiderstände
R8 und R9 sowie Kondensatoren C1 und C2 ein, die einen Abschnitt
eines Kapazitäts-Isolierungsschaltkreises 25 bilden
können.
Die Kondensatoren C1 und C2 bilden einen Funkfrequenz-Filter und
es werden Widerstände
R8 und R9 ausgewählt,
die einen ausreichend hohen Wert aufweisen, um die rasche Entladung
einer jeglichen Speicherung von Potentialenergie in den Kondensatoren
C1 und C2 auf die Schleife 16 einzuschränken. Dies ist ausführlicher
in der US-A-5,585,777 beschrieben.
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3 zeigt,
dass die bipolaren Transistoren Q1 bis Q4 in Form eines Brückengleichrichter-Schaltkreises
konfiguriert sind. Die Transistoren Q1 und Q2 sind PNP-Transistoren
und bei den Transistoren Q3 und Q4 handelt es sich um NPN-Transistoren.
In der in 3 gezeigten
Ausführungsform
sind die Vorspannungswiderstände
R1 bis R4 so gewählt,
dass die leitenden Transistoren im gesättigten Bereich arbeiten. Mit
anderen Worten werden die Vorspannungswiderstände R1 bis R4 so gewählt, dass
der PNP-Transistor mit einer im Hinblick auf VOUT+
positiven Emitterspannung und der NPN-Transistor mit einer im Hinblick
auf VOUT– negativen Emitterspannung eine
niedrige Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung erzeugen.
Das andere Transistorenpaar ist vorgespannt, so dass keiner der
beiden Transistoren leitend ist.
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In der in 3 gezeigten Ausführungsform wird davon ausgegangen,
dass die Gleichstrom-Versorgungsspannung an das Feldinstrument 10 derart gekoppelt
ist, dass VIN1 ein höheres Spannungspotential besitzt
als VIN2. In diesem Fall sind die Transistoren
Q1 und Q3 vorgespannt, so dass sie nicht leiten, während die
Transistoren Q2 und Q4 so vorgespannt sind, dass sie in dem gesättigten
Bereich arbeiten. Wenn die Gleichstrom-Versorgungsspannung an das Feldinstrument 10 mit
umgekehrter Polarität gekoppelt
wäre, dann
wären die
Transistoren Q1 und Q3 natürlich
für den
Betrieb in dem gesättigten
Bereich vorgespannt, während
die Transistoren Q2 und Q4 nicht vorgespannt wären.
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In beiden Fällen bewirkt der Schaltkreis 26 lediglich
einen Spannungsabfall, der gleich der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung
der gesättigten Transistoren
ist. Da eine typische Sättigungsspannung
eines Transistors in etwa 0,05 bis 0,2 Volt beträgt, bewirkt der Schaltkreis 26 einen
Spannungsabfall (NIN –VOUT)
von ungefähr
nur 0,10 bis 0,40 Volt. Dies ist erheblich weniger als der durch
den Schaltkreis 26' des
Stands der Technik gemäß 2 bewirkte Spannungsabfall.
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4 ist
eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Energieversorgungs-Eingangsschaltkreises 26.
Der in 4 gezeigte Energieversorgungs-Eingangsschaltkreis 26 ist ähnlich dem
in 3 gezeigten Schaltkreis
ausgebildet, mit der Ausnahme, dass er unter Einsatz von Feldeffekttransistoren
implementiert ist. Der Schaltkreis weist Feldeffekttransistoren
Q5, Q6, Q7 und Q8 sowie Vorspannungswiderstände R5, R6 und R7 auf. In der
in 4 gezeigten Implementierung
wurden die PNP-Transistoren
Q1 und Q2 von 3 durch
P-Kanal-MOSFET-Transistoren Q5 und Q6 ersetzt, und die NPN-Transistoren
Q3 und Q4 von 3 wurden durch
N-Kanal-MOSFET-Transistoren Q7 und Q8 ersetzt. Wieder davon ausgehend,
dass VIN1 ein höheres Spannungspotential als
VIN2 besitzt, liefern die MOSFET-Transistoren Q6 und
Q8 die Ausgangsspannung VOUT mit nur einem
sehr geringen Spannungsabfall (VIN–VOUT), während
die MOSFET-Transistoren Q5 und Q7 nicht vorgespannt sind. Falls
die Polarität
der Gleichstrom-Energieversorgung umgekehrt wird, und VIN2 ein
höheres
Spannungspotential wie VIN1 aufweist, dann
liefern die MOSFET-Transistoren Q5 und Q7 die Ausgangsspannung VOUT, während
die MOSFET-Transistoren Q6 und Q8 nicht vorgespannt sind.
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Natürlich dienen diese Schaltkreisdiagramme
lediglich der Veranschaulichung, und eine Vielzahl von anderen Konfigurationen
könnte
ebenfalls eingesetzt werden. Beispielsweise könnte der Widerstand R6 aus 4 im Leerlauf geschaltet
sein und die Widerstände
R5 und R7 könnten
kurzgeschlossen werden. Darüber
hinaus können
auch beide Transistorenpaare Q5, Q7 und Q6, Q8 MOSFET-Transistoren
sein, oder bei einem Paar kann es sich um bipolare Sperrschichttransistoren
handeln, während
das andere Paar MOSFET-Transistoren sein können.
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Die vorliegende Erfindung ist mit
einem aktiven Vorspannungs-Netzwerk
implementiert. Ein solches Netzwerk wird dazu verwendet, eine Steuerfunktion
im Schaltkreis 26 zu implementieren. 5 zeigt einen Abschnitt einer Ausführungsform
des Eingangsschaltkreises 26, der ein derartiges aktives Vorspannungs-Netzwerk
verwendet. 5 zeigt aus Gründen der
Einfachheit lediglich ein Transistorenpaar (z. B. Q6 und Q8). Es
versteht sich jedoch, dass ein ähnliches
Netzwerk auch bei dem anderen Transistorenpaar, beispielsweise den
Transistoren Q5 und Q7, eingesetzt werden kann.
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Die Ausführungsform des Energieversorgungs-Eingangsschaltkreises 26 von 5 zeigt zusätzlich zu
den Transistoren Q6 und Q8 die Widerstände R8, R9, R10, R11, R12 und
R13, die Verstärker 34 und 36 sowie
den Steuerschaltkreis 38. Während die Ausführungsformen
des in den 3 und 4 gezeigten Schaltkreises 26 im
Wesentlichen nur basierend auf den Werten der Eingangsspannung vorgespannt
waren, ist die Ausführungsform
des in 5 gezeigten Schaltkreises 26 basierend
auf den Werten der Eingangsspannung vorgespannt, aber zudem auch
basierend auf einem anderen gewünschten
Parameter aufgrund des Betriebs des Steuerschaltkreises 38.
Der andere gewünschte
Parameter hängt
vom Zweck des Steuerschaltkreises 38 ab.
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Beispielsweise kann es sich bei der
durch den Schaltkreis 38 implementierten Steuerfunktion um
jede beliebige gewünschte
Steuerfunktion handeln, wie z. B. eine Strom- oder Spannungsregelungsfunktion,
die die Transistoren Q6 und Q8 basierend auf dem Strom oder der
Ausgangsspannung steuert, oder eine Störungserfassungsfunktion, welche
Störungen
erfasst (beispielsweise Überstrom, Übertemperatur
oder andere Störungszustände) und die
Ausgangstransistoren Q6 und Q8 basierend auf der erfassten Störung steuert.
Zusammenfassend gesagt kann der Schaltkreis nun wunschgemäß aktiv gesteuert
werden, da der Energieversorgungs-Eingangsschaltkreis 26 nicht
länger
nur mit Dioden konfiguriert ist, sondern anstelle dessen so konfiguriert ist,
dass er eine Transistorbrücke
einsetzt.
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Die Widerstände R8 und R9 sowie die Widerstände R10
und R11 bilden Spannungsteiler, die an die MOSFET-Transistoren Q6
und Q8 angeschlossen sind. Diese Spannungsteiler sind zwischen den Spannungen
VIN1 und VIN2 gekoppelt.
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Die Widerstände R12 und R13 werden für gewöhnlich eingesetzt,
wenn die durch den Steuerschaltkreis 38 implementierte
Steuerfunktion auf dem Ausgangsstrom (oder zumindest einem Teil
dessen) basiert. Eine derartige Steuerfunktion weist eine Stromregelungsfunktion
und eine Überstrom-Funktion
auf. In diesem Fall handelt es sich bei den Widerständen R12
und R13 um Widerstände
mit einem sehr geringen Wert, um einen sehr geringen Spannungsabfall
am Schaltkreis 26 beizubehalten. Darüber hinaus sind in diesem Fall
die Verstärker 34 und 36 vorzugsweise
Transkonduktanzverstärker,
die basierend auf ihren Eingängen
mehr Strom abziehen oder erzeugen.
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In der Ausführungsform, in welcher der
Steuerschaltkreis 38 den Ausgang des Schaltkreises 26 zum
Erzeugen einer gesteuerten Ausgangsspannung steuert, bestimmt der
Schaltkreis 26 den Vorspannungspunkt der Widerstände Q6 und
Q8 basierend auf der Polarität
der Eingangsspannung, und darüber
hinaus auch basierend auf der Ausgangsspannung und einer Vergleichsspannung,
die an den Steuerschaltkreis 38 geliefert wird. Die Vergleichsspannung
ist vorzugsweise jeder beliebige geeignete Wert.
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In der Ausführungsform, in welcher der
Steuerschaltkreis 38 den Ausgang des Schaltkreises 26 basierend
auf Störungszuständen steuert,
wird der Ausgang des Schaltkreises 26 dann basierend auf der
Polarität
der Eingangsspannung als auch einem Ausgangssignal eines Störungsdetektors,
beispielsweise einem Überstrom-Sensor
oder einem Übertemperatur-Sensor,
gesteuert.
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6 zeigt
eine Ausführungsform
eines Abschnitts des in 5 gezeigten
Schaltkreises 26, wobei der Steuerschaltkreis 38 eine
Stromregler umfasst. Der einzige in 6 gezeigte
Abschnitt des Steuerschaltkreises 38 ist der, der dem Ausgangstransistor
Q6 zugeordnet ist. Natürlich
versteht es sich, dass eine ähnliche
Konfiguration jedem Transistor Q5, Q6, Q7 und Q8 im Schaltkreis 26 zugeordnet wäre, um eine
gewünschte
Steuerung zu erzielen.
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In der in 6 gezeigten Ausführungsform weist der Steuerschaltkreis 38 einen
Verstärker 40 und
die Widerstände
R14 und R15 auf. Der invertierende Eingang des Verstärkers 40 ist
mit dessen Ausgang über
den Rückkopplungs-Widerstand
R15 verbun den, und mit einer Seite des Widerstands R12 über den
Widerstand R14. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 40 ist
mit VOUT+ gekoppelt. In dieser Anordnung
ist der Verstärker 40 so
konfiguriert, dass er den am Ausgang VOUT+
bereitgestellten Strom misst und ein Ausgangssignal liefert, das
diesen Strom wiedergibt. Der Ausgang des Verstärkers 40 ist als Eingang
für den übrigen Steuerschaltkreis 38 vorgesehen.
Der Steuerschaltkreis 38 liefert eine angemessene Transferfunktion,
so dass das Ausgangssignal geeignet ist, von dem Operations-Transkonduktanzverstärker 34 basierend
auf der implementierten Steuerfunktion empfangen zu werden. Auf
diese Weise steuert der Steuerschaltkreis 38 basierend
auf dem gemessenen Ausgangsstrom am Widerstand R12 den Operations-Transkonduktanzverstärker 34 derart,
dass dieser entweder zusätzlichen
Strom abzweigt oder erzeugt. Dieser Vorgang steuert den Ausgangsstrom
durch den Transistor Q6 und somit den Ausgangsstrom bei VOUT+.
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Abhängig von der spezifischen Konfiguration des
Verstärkers 40 kann
der Steuerschaltkreis 38 einen Störungszustand, wie z. B. einen Überstrom-Zustand,
erfassen, oder kann den Ausgangsstrom bei VOUT+
auf einem konstanten Pegel halten. Ebenso wie die anderen Figuren
der vorliegenden Erfindung dient auch 6 lediglich
zur Veranschaulichung, und eine Vielzahl von anderen Konfigurationen
kann als Steuerschaltkreis 38 eingesetzt werden, um eine Steuerung
gemäß einer
beliebigen Anzahl von unterschiedlichen Parametern zu erreichen.
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7 zeigt
die Implementierung der vorliegenden Erfindung in einer Fieldbus-Mehrpunktkonfiguration.
Die Energieversorgung 30 liefert über die Schleife 16 Energie
an das System. Der Regler 31 schafft die Übertragung über die
Schleife 16 mit einer Vielzahl von Feldinstrumenten 10.
Die Schleife 16 ist durch einen Fieldbus-Abschlusswiderstand 32 abgeschlossen,
und eine Barriere 33 liefert von sich aus eine Sicherheitsbarriere
zwischen einer gefährlichen Umgebung
und einer sicheren Umge bung. Es versteht sich, dass die Feldinstrumente 10 sowohl
in der gefährlichen
Umgebung als auch in der sicheren Umgebung angeordnet sein kann.
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Auf diese Weise liefert die vorliegende
Erfindung einen Energieversorgungs-Eingangsschaltkreis an ein Feldinstrument,
das einen wesentlich geringeren Spannungsabfall aufweist. Gleichzeitig
ist der erfindungsgemäße Eingangsschaltkreis
symmetrisch, um einen Wechsel-Eingangsstrom aufzunehmen, und um
zuzulassen, dass eine Gleichstrom-Spannungsversorgung mit beiden
Polaritäten an
das Feldinstrument gekoppelt werden kann. Da der vorliegende Eingangsschaltkreis
einen so geringen Spannungsabfall hervorruft, liefert die vorliegende
Erfindung einen im hohen Maße
verbesserten Wirkungsgrad und eine höhere maximale Ausgangsspannung
bei einem vergleichbaren oder niedrigeren Kostenaufwand als bei
Eingangsschaltkreisen des Stands der Technik.
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Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Energieversorgungs-Eingangsschaltkreis
gesteuert werden, da er als Transistorbrücke anstelle einer Diodenbrücke implementiert
ist. Somit kann der Vorspannungsschaltkreis als ein aktiver Vorspannungsschaltkreis
ausgebildet werden, welcher den Ausgang des Schaltkreises 26 zur
Regelung der Ausgangsspannung und zur Regelung des Ausgangsstroms
steuert, oder basierend auf jeder beliebigen Anzahl von anderen
Zuständen,
die durch den Steuerschaltkreis 38 gemessen werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden
ist, ist es für
Fachleute in der Technik offensichtlich, dass Veränderungen
hinsichtlich Form und Detail vorgenommen werden können, ohne
den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.