EP4078793A1 - Schaltungsanordnung zum anschluss an eine stromquelle - Google Patents

Schaltungsanordnung zum anschluss an eine stromquelle

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EP4078793A1
EP4078793A1 EP20811590.7A EP20811590A EP4078793A1 EP 4078793 A1 EP4078793 A1 EP 4078793A1 EP 20811590 A EP20811590 A EP 20811590A EP 4078793 A1 EP4078793 A1 EP 4078793A1
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EP
European Patent Office
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circuit arrangement
voltage
arrangement according
circuit
capacitor
Prior art date
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Pending
Application number
EP20811590.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Lobenstein
Harald SCHÄUBLE
Julian Bockstaller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP4078793A1 publication Critical patent/EP4078793A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M1/0087—Converters characterised by their input or output configuration adapted for receiving as input a current source

Definitions

  • Circuit arrangement for connection to a power source
  • the invention relates to a circuit arrangement for connection to a power source and a field device in automation technology.
  • field devices are often used that are used to record and / or influence process variables.
  • sensors such as level measuring devices, flow measuring devices, pressure and temperature measuring devices, pFI redox potential measuring devices, conductivity measuring devices, etc., which record the corresponding process variables level, flow rate, pressure, temperature, pH value or conductivity, are used.
  • field devices all devices that are used close to the process and that supply or process process-relevant information are referred to as field devices.
  • two-wire field devices are still common in a large number of existing automation systems, which are connected to a higher-level unit, for example a control unit PLC, via a two-wire line or loop.
  • the two-wire field devices are designed in such a way that power is supplied via the two-wire line using a 4-20 mA signal. Due to the energy supply from the 4-20 mA signal, the field device has only very limited internal energy available. The result of this is that the individual electrical components of the field device are coordinated with one another in such a way that the total energy requirement of the field device just does not exceed the energy made available via the two-wire line.
  • boost converters also called boost converters or step-up converters
  • the start-up phase is particularly problematic when operating such boost converters on a current source, such as a two-wire line, for example, or a high-resistance voltage source.
  • the circuit arrangement according to the invention for connection to a current source preferably a 4-20 mA current loop and / or a voltage source, preferably one comprising an internal resistance greater than or equal to 100 ohms (Ri> 100 ohms), comprises:
  • a circuit part for dynamic control of the switching element of the step-up converter the circuit part being designed at least to control the circuit element of the step-up converter in a start-up phase in such a way that the current source charges the storage capacitor directly via the coil until a predeterminable or adjustable switching threshold is reached.
  • a circuit arrangement is proposed which is designed for dynamic operation. This means that the circuit starts up safely even when the capacitor is completely discharged and can then easily switch to the actual boost mode in an operating phase following a start-up phase. The storage capacity is charged directly from the power source during the start-up phase.
  • the circuit part is also designed to control the circuit element of the step-up converter after reaching the switching threshold in an operating phase following the start-up phase so that the coil is cyclically switched to ground.
  • the step-up converter is only activated or active when the reference voltage at TP1 is reached.
  • the circuit part comprises a comparator and a capacitor, the comparator for dynamic control being connected with an output to the switching element and to which a reference voltage for specifying or setting an inverting input.
  • the configuration of the circuit arrangement according to the invention can provide that the circuit part further comprises a voltage divider which is connected to the current source with a resistor and to ground with a further resistor, the comparator having a non-inverting input to the voltage divider between the two Resistance is connected, so that a substantially constant voltage drops across the power source in the operating phase.
  • the voltage drop across the current source or the 4-20 mA current loop can be set using the voltage divider or manipulated using an optional additional circuit.
  • the embodiment can provide that the comparator has an internal reference module which provides the reference voltage.
  • the circuit arrangement can have a microcontroller that provides the reference voltage.
  • the step-up converter comprises a further capacitor which is connected in parallel to the storage capacitor.
  • the further capacitor has a capacitance value between 10 and 500 pF, preferably between 50 and 250 pF, particularly preferably between 80 and 150 pF, very particularly preferably 100 pF.
  • the circuit part further comprises a Zener diode which is connected in parallel to the current source.
  • the circuit part further comprises a capacitor and a further resistor, the capacitor being connected in parallel to the circuit source and the further resistor in series with the coil and the diode.
  • a further Zener diode is provided which is connected in parallel to the storage capacitor.
  • the comparator according to FIG. 2 is connected to a positive supply voltage pin to the power source and to a negative supply voltage pin to ground, a low-pass filter preferably being connected to the positive supply voltage pin to stabilize the voltage supply of the comparator according to FIG. 2.
  • the invention further relates to a field device in automation technology comprising a pair of connecting terminals for connecting the field device to a 4-20 mA current loop, a radio module for wireless communication with the field device and a circuit arrangement according to at least one of the preceding claims, wherein the circuit arrangement is connected on the input side to the connection terminal pair and on the output side to the radio module.
  • the radio module is preferably an NB-loT (Narrowband Internet of Things) radio module.
  • NB-loT is a low power wide area network radio technology standard developed by 3GPP that enables a wide range of mobile radio devices and services. The specification was frozen in 3GPP Release 13 in June 2016.
  • Fig. 1 a first embodiment of a circuit arrangement according to the invention.
  • Fig. 2 a second embodiment of the circuit arrangement according to the invention.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a circuit arrangement according to the invention.
  • the circuit arrangement is fed on the input side from a 4-20 mA current loop (represented symbolically in FIG. 1 by a circuit symbol for a current source).
  • the circuit arrangement can be used in a field device in automation technology.
  • the circuit arrangement can be used in a field device to supply a radio module, for example an NB-loT module, with energy from the current loop.
  • a radio module for example an NB-loT module
  • Such an NB-loT module has a very high energy requirement for a short time, which can only be absorbed by a large storage capacitor, for example a storage capacitor with a capacity of approx. 5 F.
  • the circuit arrangement can also be connected to a current source or a (high-resistance) voltage source having an internal resistance greater than or equal to 100 ohms (Ri> 100 ohms). Another possibility is to connect the circuit arrangement to a voltage source and a current source connected in series therewith.
  • Fig. 1 a basic variant of the circuit arrangement according to the invention is shown, which is required for operating the circuit.
  • the circuit arrangement can have further electronic circuit elements / components which bring about advantageous effects.
  • the circuit arrangement according to the invention shown in FIG. 1 comprises at least one step-up converter 1 and a circuit part for dynamic control 2 of the step-up converter 1 in order to overcome the problematic start-up phase mentioned at the beginning.
  • the step-up converter 1 consists of a coil L1 connected in series with a diode D2 with an inductance and a suitable switching element V1 which switches the coil to ground.
  • the switching element V1 can for example be a MOSFET, which is dynamically switched at its gate by the circuit part for driving 2 of the boost converter 1.
  • the boost converter 1 also has a storage capacitor C4 on the output side for adding up the storage energy at the output UA.
  • a third capacitor C3 can be provided, which is connected in parallel with the storage capacitor C4.
  • the third capacitor C3 can in particular have a capacitance of a few 10 pF to a few 100 pF, preferably approx. 100 pF (microfarads).
  • output voltage peaks at the storage capacitor C4 due to its low internal inductance, small equivalent series resistance and short electrical connection, can be reduced.
  • a third Zener diode D3 can also be used in parallel with the third capacitor C3 Storage capacitor C4 must be connected in order to protect it from overvoltage.
  • the circuit part for dynamic control 2 of the boost converter 1 comprises, according to the basic variant, a comparator N1, whose output is connected to the gate of the MOSFET, a voltage divider R2, R3 for switching the comparator N1 and a second capacitor C2 for voltage stabilization, which is parallel to the Current loop is switched.
  • the MOSFET has a drain connected to an anode of the second diode D2 and a source connected to the ground.
  • the voltage divider R2, R3 is connected to the second resistor R2 on the current loop and connected to the third resistor R3 to ground.
  • the voltage tap for a plus input (non-inverting input) of the comparator takes place between the second and third resistor.
  • the voltage divider also defines a voltage drop in the current loop.
  • the voltage divider R2, R3 can be dimensioned in such a way that approx. 1.8 V drop across it.
  • the actual switching threshold of the comparator is determined by applying a reference voltage to a minus input (inverting input) of the comparator.
  • the reference voltage U R e f can be provided, for example, by an internal reference voltage module of the comparator N1. Alternatively, the reference voltage U R e f can also be provided externally, for example by a microcontroller integrated in field device electronics. The reference voltage can be 1.2 V, for example.
  • the comparator N1 is also contacted with a positive supply voltage pin towards the current loop and with a negative supply voltage pin towards ground. To stabilize the voltage supply for the comparator, a fourth resistor R4 and a fifth capacitor C5 can also be connected to the positive supply voltage pin as a low-pass filter.
  • a voltage drop across the power source can be set by manipulating the voltage divider R2, R3 or the reference voltage at the comparator N1. This is particularly the case that the circuit arrangement is connected to a 4-20 mA current loop, advantageous since the voltage drop can thus be kept small, preferably less than 2.5V, particularly preferably less than 2 V, very particularly preferably approx. 1.8V. This can be done, for example, using a microcontroller port, pulse width modulation with a low-pass filter or a digital-to-analog converter. This allows the charging time of the storage capacitor C4 to be influenced.
  • a first Zener diode D1 can be connected in parallel with the second capacitor C2 in order to protect the circuit arrangement.
  • a further first capacitor C1 and a first resistor R1 can also be provided on the input side, which serve as filters.
  • the first capacitor C1 can be connected in parallel with the first Zener diode D1 and the first resistor R1 can be connected in series with the coil L1 and the diode D2. Both circuit elements serve to reduce possible interference to the current loop.
  • the first and second capacitors are preferably dimensioned such that the second capacitor C2 has a higher capacitance than the first capacitor C1.
  • the second capacitor C2 is charged up to the switching threshold (switch-on threshold) of the comparator N1 and, after switching on the MOSFET, is discharged again to the switching threshold (switch-off threshold) of the comparator N1.
  • a loop current flows through the circuit arrangement in a start-up phase and slowly charges the capacitors C1 to C4.
  • the voltage at the output capacitors C3, C4 is lower by a forward voltage of the second diode (Schottky diode) D2 and the voltage drops across the series impedances of the coil L1 and the first resistor R1.
  • the supply voltage at the comparator N1 is initially still below the switching threshold (switch-on threshold), so that the MOSFET located at the output of the comparator is initially switched to non-conductive.
  • the MOSFET V1 is switched on by the comparator and the inductance L1 is charged to ground, but only until the voltage at the non-inverting input of the comparator N1 falls below the reference voltage again. This leads to the MOSFET switching nonconductively again.
  • a flysteresis of the comparator should be as small as possible.
  • the comparator should be chosen in such a way that the hysteresis is only a few millivolts (mV), e.g. approx. 40 mV. In this way, the storage capacitor C4 is slowly charged.
  • the ripple behind the resistor R1 corresponds to the switching hysteresis of the comparator N1.
  • the influence on the current loop can optionally be reduced by the resistor R1 and the capacitor C1.
  • the charging process of the capacitors C3 / C4 can optionally be limited by the Zener diode D3 and thus protected against overvoltage.
  • the circuit arrangement can have a linear regulator or a DC / DC converter, for example.
  • V1 switching element for example MOSFET

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Schaltungsanordnung zum Anschluss an eine Stromquelle, vorzugsweise eine 4-20 mA Stromschleife oder eine hochohmige, vorzugsweise eine einen Innenwiderstand größer 100 Ohm umfassende Spannungsquelle aufweisend: - zumindest einen Aufwärtswandler mit einer Spule (L1), einer Diode (D2), insbesondere einer Freilaufdiode, die in Reihe mit der Spule (L1) geschaltet ist, einem ausgangsseitigen Speicherkondensator (C4) zum Aufsummieren einer Ausgangspannung und einem Schaltelement (V1) zum Schalten der Spule (L1) gegen eine Masse; - einen Schaltungsteil zum dynamischen Ansteuern des Schaltelements des Aufwärtswandlers, wobei der Schaltungsteil zumindest dazu ausgebildet ist, das Schaltungselement des Aufwärtswandlers in einer Anlaufphase so anzusteuern, dass die Stromquelle den Speicherkondensator über die Spule (L1) bis zum Erreichen eines vorgebbaren Referenzwertes direkt lädt.

Description

Schaltungsanordnung zum Anschluss an eine Stromquelle
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Anschluss an eine Stromquelle und ein Feldgerät der Automatisierungstechnik.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pFI-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, etc., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten.
Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Gegenwärtig sind in einer Vielzahl der bestehenden Automatisierungsanlagen noch Zweileiterfeldgeräte gängig, die über eine Zweidrahtleitung bzw. -schleife zu einer übergeordneten Einheit, bspw. eine Steuereinheit SPS, verbunden sind. Die Zweileiterfeldgeräte sind derartig ausgebildet, dass eine Energieversorgung über die Zweidrahtleitung durch ein 4-20 mA Signal erfolgt. Aufgrund der Energieversorgung durch das 4-20 mA Signal steht dem Feldgerät intern nur eine sehr begrenzte Energie zur Verfügung. Dies führt dazu, dass die einzelnen elektrischen Komponenten des Feldgerätes derartig aufeinander abgestimmt sind, dass der Gesamtenergiebedarf des Feldgerätes eine über die Zweidrahtleitung zur Verfügung gestellte Energie gerade nicht überschreitet. Um dennoch elektrische bzw. elektronische Komponenten, die kurzfristig einen höheren Energiebedarf haben als eigentlich zur Verfügung steht, betreiben zu können, werden für gewöhnlich (Speicher-) Kondensatoren mit entsprechenden Kapazitäten eingesetzt. Um genügend Energie zur Ladung derartiger Kondensatoren zur Verfügung zu haben, wird ein möglichst kleiner Spannungsabfall über der Zweidrahtleitung als Energiequelle genutzt und die Spannung hochgesetzt. Für gewöhnlich kommen hierbei sogenannte Aufwärtswandler (englisch auch Boost-Converter oder Step-Up-Converter genannt) zum Einsatz. Problematisch beim Betreiben derartiger Aufwärtswandler an einer Stromquelle, wie es beispielsweise ein Zweidrahtleitung darstellt, oder einer hochohmigen Spannungsquelle ist, ist insbesondere die Anlaufphase. Erreicht eine Betriebsspannung eine Einschaltschwelle des Aufwärtswandlers, ist ein erhöhter Stromfluss die Folge, was wiederum die Betriebsspannung unter die Einschaltschwelle sinken lässt und dazu führen kann, dass der Aufwärtswandler ausschaltet. Ein sicheres Einschalten bzw. Anlaufen des Aufwärtswandlers ist somit gefährdet.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung vorzuschlagen, die das sichere Einschalten bzw. Anlaufen eines Aufwärtswandlers ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 1 und das Feldgerät gemäß Patentanspruch 13.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Anschluss an eine Stromquelle, vorzugsweise eine 4-20 mA Stromschleife und/oder eine, vorzugsweise eine einen Innenwiderstand größer gleich 100 Ohm (Ri > 100 Ohm) umfassende Spannungsquelle umfasst:
- zumindest einen Aufwärtswandler mit einer Spule, einer Diode, insbesondere einer Freilaufdiode, die in Reihe mit der Spule geschaltet ist, einem ausgangsseitigen Speicherkondensator zum Aufsummieren einer Ausgangspannung und einem Schaltelement zum Schalten der Spule gegen eine Masse;
- einen Schaltungsteil zum dynamischen Ansteuern des Schaltelements des Aufwärtswandlers, wobei der Schaltungsteil zumindest dazu ausgebildet ist, das Schaltungselement des Aufwärtswandlers in einer Anlaufphase so anzusteuern, dass die Stromquelle den Speicherkondensator über die Spule bis zum Erreichen einer vorgebbaren bzw. einstellbaren Schaltschwelle direkt lädt. Erfindungsgemäß wird eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen, welche für einen dynamischen Betrieb ausgelegt ist. Dies bedeutet, dass die Schaltung auch bei komplett entladenem Kondensator sicher anläuft und anschließend problemlos in einer an eine Anlaufphase anschließenden Betriebsphase in den eigentlichen Boost-Betrieb wechseln kann. Hierbei wird die Speicherkapazität in der Anlaufphase direkt aus der Stromquelle geladen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist der Schaltungsteil ferner dazu ausgebildet, nach dem Erreichen der Schaltschwelle in einer an die Anlaufphase anschließenden Betriebsphase das Schaltungselement des Aufwärtswandlers so anzusteuern, dass die Spule zyklisch gegen die Masse geschaltet wird. Gemäß der Ausgestaltung wird der Aufwärtswandler erst beim Erreichen der Referenzspannung an TP1 aktiviert bzw. aktiv.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung umfasst der Schaltungsteil einen Komparator und einen Kondensator, wobei der Komparator zum dynamischen Ansteuern mit einem Ausgang an das Schaltelement angeschlossen ist und an welchen an einem invertierenden Eingang eine Referenzspannung zum Vorgeben bzw.
Einstellen der Schaltschwelle angelegt ist und wobei der Kondensator zur Spannungsstabilisierung parallel zur Stromschleife geschaltet ist.
Insbesondere kann die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorsehen, dass der Schaltungsteil ferner einen Spannungsteiler umfasst, der mit einem Widerstand an die Stromquelle und mit einem weiteren Widerstand an die Masse angeschlossen ist, wobei der Komparator mit einem nicht-invertierenden Eingang an den Spannungsteiler zwischen die beiden Widerstand angeschlossen ist, sodass in der Betriebsphase eine im Wesentlich konstante Spannung über der Stromquelle abfällt. Über den Spannungsteiler kann der Spannungsabfall über der Stromquelle bzw. der 4-20 mA Stromschleife festgelegt bzw. über eine optionale Zusatzschaltung manipuliert werden. Ergänzend oder alternativ kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der Komparator ein internes Referenzmodul aufweist, welches die Referenzspannung bereitstellt. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann die Schaltungsanordnung einen Mikrocontroller aufweisen, der die Referenzspannung bereitstellt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung umfasst der Aufwärtswandler einen weiteren Kondensator, der parallel zu dem Speicherkondensator geschaltet ist. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der weitere Kondensator einen Kapazitätswert zwischen 10 und 500pF, bevorzugt zwischen 50 und 250pF, besonders bevorzug zwischen 80 und 150 pF, ganz besonders bevorzugt 100pF aufweist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung umfasst der Schaltungsteil ferner eine Zener-Diode, die parallel zu der Stromquelle geschaltet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung umfasst der Schaltungsteil ferner einen Kondensator und einen weiteren Widerstand aufweist, wobei der Kondensator parallel zu der Schaltungsquelle und der weitere Widerstand in Reihe zu der Spule und der Diode geschaltet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist eine weitere Zener-Diode vorgesehen, die parallel zu dem Speicherkondensator geschaltet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist der Komparator gemäß Figur 2 mit einem positiven Versorgungsspannungspin zur Stromquelle hin und mit einem negativen Versorgungsspannungspin zur Masse verschaltet, wobei vorzugsweise ein Tiefpassfilter an den positiven Versorgungsspannungspin zur Stabilisierung der Spannungsversorgung des Komparators gemäß Figur 2 angeschlossen ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Feldgerät der Automatisierungstechnik umfassend ein Anschlussklemmenpaar zum Anschließen des Feldgerätes an eine 4-20 mA Stromschleife, ein Funkmodul zur drahtlosen Kommunikation mit dem Feldgerät und eine Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung eingangsseitig mit dem Anschlussklemmpaar und ausgangsseitig mit dem Funkmodul verbunden ist. Das Funkmodul stellt vorzugsweise ein NB-loT (Narrowband Internet of Things) Funkmodul dar. NB-loT ist ein von 3GPP entwickelter Low Power Wide Area Network-Funktechnologiestandard, der eine breite Palette von Mobilfunkgeräten und -diensten ermöglicht. Die Spezifikation wurde im Juni 2016 in 3GPP Release 13 eingefroren.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1: eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und
Fig. 2: eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Figur 1 zeigt eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung wird eingangsseitig aus einer 4-20 mA Stromschleife gespeist (in Fig. 1 symbolisch durch ein Schaltzeichen für eine Stromquelle dargestellt). Insbesondere kann die Schaltungsanordnung in einem Feldgerät der Automatisierungstechnik eingesetzt werden. Insbesondere kann die Schaltungsanordnung in einem Feldgeräte dazu eingesetzt werden, ein Funkmodul, bspw. ein NB-loT-Modul mit Energie aus der Stromschleife zu versorgen. Ein derartiges NB-loT-Modul hat kurzfristig einen sehr hohen Energiebedarf, welcher nur über einen großen Speicherkondensator, bspw. einen Speicherkondensator mit einer Kapazität von ca. 5 F, abgefangen werden kann. Um genügend Energie zum Laden des Speicherkondensators zur Verfügung zu haben, wird durch die Schaltungsanordnung ein möglichst kleiner Spannungsabfall aus der 4-20 mA Stromschleife als Energiequelle genutzt und die Spannung durch einen Aufwärtswandler hochgesetzt. Alternativ kann die Schaltungsanordnung auch an eine Stromquelle oder eine einen Innenwiderstand größer gleich 100 Ohm (Ri > 100 Ohm) aufweisende (hochohmige) Spannungsquelle angeschlossen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Schaltungsanordnung an eine Spannungsquelle sowie eine dazu in Reihe geschaltet Stromquelle anzuschließen.
In Fig. 1 ist eine Grundvariante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt, die zum Betrieb der Schaltung benötigt wird. Zusätzlich kann die Schaltungsanordnung, wie in Fig. 2 dargestellt, weitere elektronische Schaltungselemente/Bauelemente aufweisen, die vorteilhafte Effekte bewirken.
Die in Fig.1 dargestellte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst mindestens einen Aufwärtswandler 1 und einen Schaltungsteil zum dynamischen Ansteuern 2 des Aufwärtswandlers 1 , um die eingangs erwähnte problematische Anlaufphase zu überwinden.
Der Aufwärtswandler 1 besteht aus einer in Reihe zu einer Diode D2 geschalteten Spule L1 mit einer Induktivität und einem die Spule gegen Masse schaltenden geeignetem Schaltelement V1. Das Schaltelement V1 kann beispielsweise ein MOSFET sein, welcher an seinem Gate durch den Schaltungsteil zum Ansteuern 2 des Aufwärtswandlers 1 dynamisch geschaltet wird. Der Aufwärtswandler 1 umfasst ferner ausgangsseitig einen Speicherkondensator C4 zum Aufsummieren der Speicherenergie am Ausgang UA.
Ergänzend kann, wie in Fig. 2 dargestellt, ein dritter Kondensator C3 vorgesehen sein, der parallel zu dem Speicherkondensator C4 geschaltet ist. Der dritte Kondensator C3 kann insbesondere eine Kapazität von einigen 10 pF bis zu einigen 100pF, vorzugsweise ca. 100 pF (Mikrofarad) aufweisen. Flierdurch können Ausgangsspannungsspitzen am Speicherkondensator C4, bedingt durch seine niedrige innere Induktivität, kleinem äquivalenten Serienwiderstand und kurzer elektrischer Anbindung, reduziert werden. Ergänzend oder alternativ kann, wie ebenfalls in Fig. 2 dargestellt, zu dem dritten Kondensator C3 auch eine dritte Zener-Diode D3 parallel zu dem Speicherkondensator C4 geschaltet sein, um diesen vor Überspannung zu schützen.
Der Schaltungsteil zum dynamischen Ansteuern 2 des Aufwärtswandlers 1 umfasst gemäß der Grundvariante einen Komparator N1 , welcher mit seinem Ausgang an dem Gate des MOSFETs angeschlossen ist, einen Spannungsteiler R2, R3 zum Schalten des Komparators N1 und einen zweiten Kondensator C2 zur Spannungsstabilisierung, der parallel zur Stromschleife geschaltet ist. Der MOSFET ist mit einem Drain an eine Anode der zweiten Diode D2 angeschlossen und mit einem Source zur Masse verbunden. Der Spannungsteiler R2, R3 ist mit dem zweiten Widerstand R2 an der Stromschleife angeschlossen und mit dem dritten Widerstand R3 zur Masse verbunden. Der Spannungsabgriff für einen Plus-Eingang (nicht-invertierender Eingang) des Komparators erfolgt zwischen dem zweiten und dritten Widerstand. Durch den Spannungsteiler wird ebenfalls ein Spannungsabfall in der Stromschleife festgelegt. Beispielsweise kann der Spannungsteiler R2, R3 derartig dimensioniert sein, dass über ihn ca. 1 ,8 V abfallen.
Die eigentliche Schaltschwelle des Komparators wird durch Anlegen einer Referenzspannung an einem Minus-Eingang (invertierender Eingang) des Komparators festgelegt. Die Referenzspannung ÜRef kann beispielsweise durch ein internes Referenzspannungsmodul des Komparators N1 bereitgestellt werden. Alternativ kann die Referenzspannung ÜRef auch extern, bspw. durch einen in einer Feldgeräteelektronik integrierten Mikrocontroller, bereitgestellt werden. Die Referenzspannung kann bspw. 1 ,2 V betragen. Der Komparator N1 ist ferner mit einem positiven Versorgungsspannungspin zur Stromschleife hin und mit einem negativen Versorgungsspannungspin zur Masse hin kontaktiert. Zur Stabilisierung der Spannungsversorgung für den Komparator können ferner als Tiefpassfilter verschalt ein vierter Widerstand R4 und ein fünfter Kondensator C5 an den positiven Versorgungsspannungspin angeschlossen sein.
Durch Manipulation des Spannungsteilers R2, R3 oder der Referenzspannung am Komparator N1 lässt sich ein Spannungsabfall über der Stromquelle einstellen. Dies ist insbesondere in dem Fall, dass die Schaltungsanordnung an eine 4-20 mA Stromschleife angeschlossen ist, vorteilhaft, da somit der Spannungsabfall klein gehalten werden kann, vorzugsweise kleiner 2,5V, besonders bevorzugt kleiner 2 V, ganz besonders bevorzugt ca. 1,8V. Dies kann z.B. durch einen Microcontroller Port, eine Pulsweitenmodulation mit einem Tiefpass-Filter oder durch einen Digital-Analog-Konverter erfolgen. Damit lässt sich die Ladezeit des Speicherkondensators C4 beeinflussen.
Ergänzend kann, wie in Fig. 2 dargestellt, eine erste Zener-Diode D1 parallel zu dem zweiten Kondensator C2 geschaltet sein, um einen Schutz der Schaltungsanordnung zu realisieren. Ergänzend oder alternativ hierzu können ferner ein weiterer erster Kondensator C1 und ein erster Widerstand R1 eingangsseitig vorgesehen sein, die als Filter dienen. Der erste Kondensator C1 kann parallel zu der ersten Zener-Diode D1 und der erste Widerstand R1 kann in Reihe zu der Spule L1 und der Diode D2 geschaltet sein. Beide Schaltungselemente dienen dazu, mögliche Störungen zur Stromschleife hin zu verringern. Vorzugsweise sind der erste und zweit Kondensator so dimensioniert, dass der zweite Kondensator C2 eine höhere Kapazität als der erste Kondensator C1 aufweist. Der zweite Kondensator C2 wird bis zur Schaltschwelle (Einschaltschwelle) des Komparators N1 geladen und nach Einschalten des MOSFETs wieder bis zur Schaltschwelle (Ausschaltschwelle) des Komparators N1 entladen.
Nach dem Einschalten fließt in einer Anlaufphase ein Schleifenstrom durch die Schaltungsanordnung und lädt die Kondensatoren C1 bis C4 langsam auf. Die Spannung an den Ausgangskondensatoren C3, C4 ist um eine Fluss- Spannung der zweiten Diode (Schottky-Diode) D2 und den Spannungsabfällen über den Längsimpedanzen der Spule L1 und des ersten Widerstands R1 geringer. Die Versorgungsspannung am Komparator N1 liegt im Einschaltmoment zunächst noch unter der Schaltschwelle (Einschaltschwelle), sodass der am Ausgang des Komparators befindliche MOSFET zunächst noch nichtleitend geschaltet ist. Wird die minimale Betriebsspannung des Komparators N1 erreicht, wird dieser aktiv, allerdings ist am nichtinvertierenden Eingang die Referenzspannung noch nicht erreicht, so dass der Ausgang auf „Low“ bleibt und der MOSFET weiterhin nichtleitend ist. Wird die Referenzspannung am nichtinvertierenden Eingang erreicht bzw. überschritten, wird der MOSFET V1 durch den Komparator leitend geschaltet und die Induktivität L1 wird gegen Masse aufgeladen, allerdings nur so lange bis die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Komparators N1 wieder unter die Referenzspannung fällt. Dies führt dazu, dass der MOSFET wieder nichtleitend schaltet.
Um eine möglichst hohe Schaltfrequenz zu erzielen, sollte eine Flysterese des Komparators möglichst klein sein. Beispielsweise sollte der Komparator derartig gewählt sein, dass die Hysterese nur einige Millivolt (mV) beträgt, z.B. ca. 40 mV. Auf diese Weise wird der Speicher-Kondensator C4 langsam aufgeladen. Der Ripple hinter dem Widerstand R1 entspricht der Schalthysterese des Komparators N1. Der Einfluss auf die Stromschleife kann optional durch den Widerstand R1 und dem Kondensator C1 gemindert werden. Der Ladevorgang der Kondensatoren C3/C4 kann optional durch die Zenerdiode D3 begrenzt und somit vor Überspannung geschützt werden.
Wird eine hohe Last parallel zu C4 geschaltet, entlädt sich dieser langsam, weil die Leistung aus der Stromschleife nicht zum Erhalt der Ladung an C4 ausreicht. Nach dem Abschalten der hohen Last wird C4 wieder geladen. Die Ausgangsspannung der Schaltung ist somit Schwankungen unterlegen. Eine Stabilisierung der Ausgangsspannung UA könnte notwendig sein. Hierzu kann die Schaltungsanordnung beispielsweise ein Linearregler oder ein DC/DC- Converter aufweisen.
Bezugszeichenliste
1 Aufwärtswandler
2 Schaltungsteil zum dynamischen Ansteuern des
Aufwärtswandlers
D1 Zener-Diode
R1 Widerstand
C1 Kondensator
C2 Kondensator
R2 Widerstand
R3 Widerstand
N1 Komparator
V1 Schalteelement, bspw. MOSFET
L1 Spule
D2 Zener-Diode
C3 Kondensator
C4 Speicherkondensator
UA Ausgangsspannung
UE Eingangsspannung bzw. Abfall über 4-20 mA Stromschleife
R4 Vierter Widerstand
C5 Fünfter Kondensator
URef Referenzspannung

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Anschluss an eine Stromquelle, vorzugsweise eine 4-20 mA Stromschleife und/oder eine, vorzugsweise eine einen Innenwiderstand größer gleich 100 Ohm umfassende Spannungsquelle aufweisend:
- zumindest einen Aufwärtswandler mit einer Spule (L1 ), einer Diode (D2), insbesondere einer Freilaufdiode, die in Reihe mit der Spule (L1) geschaltet ist, einem ausgangsseitigen Speicherkondensator (C4) zum Aufsummieren einer Ausgangspannung und einem Schaltelement (V1) zum Schalten der Spule (L1) gegen eine Masse;
- einen Schaltungsteil zum dynamischen Ansteuern des Schaltelements des Aufwärtswandlers, wobei der Schaltungsteil zumindest dazu ausgebildet ist, das Schaltungselement des Aufwärtswandlers in einer Anlaufphase so anzusteuern, dass die Stromquelle den Speicherkondensator über die Spule (L1) bis zum Erreichen einer vorgebbaren bzw. einstellbaren Schaltschwelle direkt lädt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , wobei der Schaltungsteil ferner dazu ausgebildet ist, nach dem Erreichen der Schaltschwelle in einer an die Anlaufphase anschließenden Betriebsphase das Schaltungselement des Aufwärtswandlers so anzusteuern, dass die Spule zyklisch gegen die Masse geschaltet wird.
3. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schaltungsteil einen Komparator und einen Kondensator (C2) umfasst, wobei der Komparator (N1) zum dynamischen Ansteuern mit einem Ausgang an das Schaltelement angeschlossen ist und an welchen an einem invertierenden Eingang eine Referenzspannung zum Vorgeben bzw. Einstellen der Schaltschwelle angelegt ist und wobei der Kondensator (C2) zur Spannungsstabilisierung parallel zur Stromschleife geschaltet ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und 3, wobei der Schaltungsteil ferner einen Spannungsteiler umfasst, der mit einem Widerstand (R2) an die Stromquelle und mit einem weiteren Widerstand (R3) an die Masse angeschlossen ist, wobei der Komparator mit einem nicht-invertierenden Eingang an den Spannungsteiler zwischen die beiden Widerstände angeschlossen ist, sodass in der Betriebsphase eine im Wesentlich konstante Spannung über der Stromquelle abfällt.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der Komparator ein internes Referenzmodul aufweist, welches die Referenzspannung bereitstellt.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, ferner umfassend einen Mikrocontroller, der die Referenzspannung bereitstellt.
7. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aufwärtswandler einen weiteren Kondensator (C3) umfasst, der parallel zu dem Speicherkondensator (C4) geschaltet ist.
8. Schaltungsanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der weitere Kondensator (C3) einen Kapazitätswert zwischen 10 und 500pF, bevorzugt zwischen 50 und 250pF, besonders bevorzug zwischen 80 und 150 pF, ganz besonders bevorzugt 100pF aufweist.
9. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schaltungsteil ferner eine Zener-Diode (D1) aufweist, die parallel zu der Stromquelle geschaltet ist.
10. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schaltungsteil ferner einen Kondensator (C1) und einen weiteren Widerstand (R1) aufweist, wobei der Kondensator parallel zu der Schaltungsquelle und der weitere Widerstand in Reihe zu der Spule (L1) und der Diode (D2) geschaltet ist.
11. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine weitere Zener-Diode (D3) vorgesehen ist, die parallel zu dem Speicherkondensator (C4) geschaltet ist.
12. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Komparator gemäß Figur 2 mit einem positiven Versorgungsspannungspin zur Stromquelle hin und mit einem negativen Versorgungsspannungspin zur Masse verschaltet ist, wobei vorzugsweise ein Tiefpassfilter an den positiven Versorgungsspannungspin zur Stabilisierung der Spannungsversorgung des Komparators gemäß Figur 2 angeschlossen ist.
13. Feldgerät der Automatisierungstechnik umfassend ein Anschlussklemmenpaar zum Anschließen des Feldgerätes an eine 4-20 mA Stromschleife, ein Funkmodul zur drahtlosen Kommunikation mit dem Feldgerät, insbesondere ein NB-loT-Funkmodul und eine Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung eingangsseitig mit dem Anschlussklemmpaar und ausgangsseitig mit dem Funkmodul verbunden ist.
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