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DE112011101606T5 - Elektronische Energiekonditionierschaltung - Google Patents

Elektronische Energiekonditionierschaltung Download PDF

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DE112011101606T5
DE112011101606T5 DE112011101606T DE112011101606T DE112011101606T5 DE 112011101606 T5 DE112011101606 T5 DE 112011101606T5 DE 112011101606 T DE112011101606 T DE 112011101606T DE 112011101606 T DE112011101606 T DE 112011101606T DE 112011101606 T5 DE112011101606 T5 DE 112011101606T5
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circuit
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electronic power
conditioning circuit
voltage
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DE112011101606T
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Renato Kitchener
Gunther Rogoll
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Pepperl and Fuchs SE
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Abstract

Elektronische Energiekonditionierschaltung zum Einsatz in einem IEC-61158-Feldbus-Netzwerk , die ein Serienelement, einen Kondensator und einen Widerstand aufweist, der als Gyratorschaltung bereitgestellt wird, und eine Vorspannungsschaltung aufweist, in der die Vorspannungsschaltung eine Steuerspannung und/oder einen Steuerstrom an ein Steuerterminal im Serienelement zuführt, und in der die Vorspannungsschaltung ausgelegt ist, die Steuerspannung und/oder den Steuerstrom so einzustellen, dass ein Spannungsabfall in dem ganzen Serienelement auf einer vordefinierten Stufe gehalten wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Energiekonditionierschaltung mit einem niedrigen Spannungsabfall und hoher Impedanz für die Anwendung speziell in einem Feldbus-Schaltkreis, der den IEC 61158-Norm-Anforderungen entspricht.
  • Feldbus (oder Feldbussystem) ist der Begriff für eine ganze Familie von betriebsbedingten Computer-Netzwerk-Protokollen, die für eine verteilte Steuerungsregelung in Echtzeit verwendet werden und nun in der IEC 61158-Norm weltweit standardisiert sind. Ein komplex automatisiertes, industrielles Betriebssystem, zum Beispiel für eine Kraftstoff-Raffinerie, benötigt in der Regel eine Organisationshierarchie in den Steuerungseinrichtungen, um ordnungsgemäß zu funktionieren. In dieser Hierarchie gibt es an der obersten Stelle eine Anwenderschnittstelle (HMI = Human Machine Interface), über die ein Anwender [Operator] das System überwachen oder betreiben kann. Diese Schnittstelle ist normalerweise über ein nicht-zeitkritisches Kommunikationssystem (beispielsweise Ethernet) mit einer mittleren Übertragungsschicht speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPS) verknüpft. Am unteren Ende der Steuerungskette befindet sich der Feldbus, der die SPS mit den Komponenten verbindet, die die eigentliche Arbeit tun, wie Sensoren (Messfühler), Stellglieder (Aktoren), Elektromotoren, Konsolenleuchten, Schalter, Ventile und Schaltschützen.
  • Ein Feldbus wird häufig in eigensicheren Umgebungen eingesetzt, wie beispielsweise in leicht entzündlichen Atmosphären, insbesondere in der Gaseinstufungsklassifizierung IIC – Wasserstoff und Azetylen – und unter anderem beispielsweise für die Gasgruppen IIB und IIA in Bezug auf Gas und/oder Staub. Der Einsatz des Feldbusprotokolls, der Feldinstrumente und der Feldbusgeräte in einer solchen Umgebung wird durch eine elektrische Kommunikationsschaltung überwacht und ferngesteuert, die häufig in demselben elektrischen Schaltkreis wie die Energieversorgung für den Betrieb der Feldinstrumente bereitgestellt wird.
  • In einem typischen, elektrisch betriebenen Feldbus- und Kommunikationsschaltkreis gibt es eine Energieversorgung, eine Eigensicherheitsbarriere eines beliebigen Typs, eine in die Feldeinrichtung führende Hauptleitung und eine Reihe von Gerätekopplern mit an diesen angeschlossenen Abzweigleitungen, in denen die Feldinstrumente montiert sind. Die Hauptleitung und die Abzweigleitungen bilden zusammen ein Segment (eine Gruppe). Durch die Eigensicherheitsbarriere wird der Schaltkreis in einen eigensicheren und einen nichteigensicheren Bereich unterteilt. Die Energieversorgung, die speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und andere Einrichtungen, wie beispielsweise physikalische Schicht-Diagnosemodule, welche die physikalischen Schichtattribute des elektrischen Schaltkreises und der Netzwerk-Hardware messen, und zum Teil die eingesetzten physikalischen Software- oder Protokollschichten, befinden sich in dem nichteigensicheren Bereich des Schaltkreises, d. h. normalerweise in einer Betriebszentrale (Kontrollraum). Die Hauptleitung, die Gerätekoppler, die Abzweigleitungen und die Feldinstrumente befinden sich in dem eigensicheren Abschnitt d. h. abgetrennt zum Feldbereich.
  • Eine Eigensicherheit kann auf vielerlei bekannte Art und Weisen erzielt werden, und zwar von der einfachen Begrenzung der Energie, so dass offene Stromkreise oder Kurzschlüsse keine entzündlichen Lichtbögen ausbilden können, bis hin zur Anwendung aktiver Überwachungs- und Isolationssysteme, die höhere Strompegel erlauben und die bei offenen Stromkreisen oder Kurzschlüssen zur Isolation der Energieversorgung dienen, um feuergefährliche Lichtbögen zu verhindern.
  • In IEC-61158-Feldbusnetzen wird eine Komponente zur Energiekonditionierung benötigt, um Signalmodulationen mithilfe von Feldinstrumenten zu ermöglichen. Diese Komponente besteht häufig einfach aus einer großen Drosselspule [Induktor], jedoch ist die Anwendung von elektronischen Komponenten, wie zum Beispiel Gyratorschaltungen, Regulatoren oder aktive Leistungsverbesserer bzw. Stromrichter auch bekannt. Diese Bauelemente führen zwischen zweidrahtigen, digitalen Kommunikationskomponenten und der Energiezufuhr eine elektrische Impedanz ein, so dass Kommunikationsübertragungen aufgrund von Signalmodulationen möglich sind.
  • 1 zeigt eine solche Gyrator-/Regulator-Niederspannungsleitung mit einem Serienelement U2, einen Emitter-Widerstand R3 und eine automatische Basisregulator-/Gittervorspannungsschaltung R1, C3. Dieses Serienelement ist als ein Darlington-Paar dargestellt, das eingesetzt wird, um einen niedrigen Basisstrom mit hoher Impedanz zu erhalten. Anstelle dessen könnte auch ein bipolarer Sperrschicht-Transistor [BJT] zur Anwendung kommen, aber dieser würde höhere Basisströme mit niedrigerer Impedanzkapazität aufweisen. Ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feld-Effekt-Transistor [MOSFET] könnte ebenfalls angewendet werden, jedoch benötigt dieser Transistor höhere Gate-Spannungen, was sehr hohe Spannungsverluste verursachen würde.
  • Obwohl diese Schaltung ziemlich gut funktioniert, weist sie dennoch einige Nachteile auf. Erstens, verliert unter einer hohen Stromzufuhr das Serienelement U2 eine Spannung im Bereich von 1,5 V oder höher, und gleichzeitig weist der Emitter-Widerstand R3, der zur Unterstützung der Basis-Modulation verwendet wird, einen Spannungsverlust im Bereich von 0,5 V bei 500 mA und 1 Ohm auf. Dies führt zu einem Totalverlust von etwa 2 V, was einem typischen Verlust von 7 bis 10% in der Energiezufuhrleistung gleichzusetzen ist. Dies stellt bei den bisherigen MOSFET Designschaltungen ein schlimmes Übel dar. Darüber hinaus weist diese Schaltung eine mangelhafte Niederfrequenzleistung auf. Bei einem abgetrennten 100-Ohm-Anschluss wird das Auftreten von Verzerrungen signifikant. Dagegen kann sehr wenig getan werden, um diesen Mangel ohne weitere Verluste zu korrigieren.
  • Die in 1 gezeigte Schaltung stellt den bisherigen Stand der Technik dar, wofür es eine Reihe von bereits veröffentlichten Spezifikationen gibt, die verschiedene Modifikationen von der gleichen Konzeption beschreiben, wie unter anderem: "Foundation Fieldbus Power Supply, A Look At Powering Fieldbus by Analog Services, Inc. (revidierte Version vom 22.10.2000)", veröffentlicht von dem Unternehmen Analog Services Inc., USA. Diese technische Dokumentation ist auch auf der Internetseite von Analog Services erhältlich: www.analogservices.com. Bei jedem in dieser Dokumentation gezeigten Ausführungsbeispiel erfahren das Serienelement und der Stromerfassungswiderstand einen hohen Spannungsverlust, weshalb in jedem Fall ein Stromerfassungswiderstand zum Einsatz kommt.
  • Die vorliegende Erfindung dient zur Lösung von einigen der vorstehend angeführten Probleme.
  • Daher umfasst gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektronische Energiekonditionierschaltung zum Einsatz in einem IEC 61158-Feldbus-Netzwerk ein Serienelement, einen Kondensator und einen Widerstand, der als Gyratorschaltung bereitgestellt wird, sowie eine Vorspannungsschaltung, in der die Vorspannungsschaltung eine Steuerspannung und/oder einen Steuerstrom an ein Steuerterminal des Serienelements zuführt, und in der die Vorspannungsschaltung ausgelegt ist, die Steuerspannung und/oder den Steuerstrom so einzustellen, dass ein Spannungsabfall im Serienelement auf einer vordefinierten Stufe gehalten wird.
  • Die vorstehende Schaltungskonfiguration ist auf den Spannungsverlust im Serienelement ausgerichtet, ohne dass die Leistung einbezogen wird. Ein Anstieg der Spannung in dem Steuerterminal (welches ein Basisanschluss oder ein Gate-Terminal sein kann, was vom jeweiligen Gerätetyp abhängig ist) als Ergebnis einer Anwendung der Steuerspannung und/oder des Steuerstroms verringert den äquivalenten Widerstand des Serienelements. Infolgedessen kann der Energie- bzw. Spannungsverlust in Bezug auf den anzuwendenden Strom reduziert werden.
  • Das Serienelement kann ein beliebiges Bauelement mit einem Stromversorgungsanschluss sein, ein Last-Anschluss und ein Steuerterminal, wie zum Beispiel mit einem bipolarer Sperrschicht-Transistor [BJT] oder einem Darlington-Paar mit Transistoren. Jedoch in einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Serienelement ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feld-Effekt-Transistor [MOSFET], wobei das Steuerterminal dessen Gate-Anschluss ist.
  • Die Anwendung eines MOSFET in der erfindungsgemäßen Schaltung hat deutlich erkennbare Vorteile. Im Besonderen weisen sie eine hervorragende Impedanzleistung mit einer sehr großen Bandbreite auf. MOSFETS besitzen eine sehr gute Niederfrequenzleistung und aufgrund deren hohen Gate-Impedanzkapazität wird außerdem ein hoher Impedanz-Gesamtwirkungsgrad ermöglicht. Des Weiteren kann mit einem MOSFET die Signalübertragung symmetrisch stattfinden, und ein Abtrennen eines Anschlusses/Terminals führt zu keiner größeren Signalverzerrung. Darüber hinaus kann der Spannungsabfall im gesamten Schaltkreis auf 0,5 Volt oder in einigen Fällen sogar auf noch weniger verringert werden.
  • Die Vorspannungsschaltung kann auf irgendeine bekannte Weise unter Einsatz eines beliebigen Typs eines Steuerungsmechanismus implementiert sein, wobei es für die Art und Weise der Logik, wie sie für die Steuerspannung und/oder den Strom anzuwenden ist, verschiedene Möglichkeiten gibt. In einer Ausführungsform kann die Vorspannungsschaltung die Steuerspannung und/oder den Strom mit einem fixen Pegel einstellen. Allerdings hat diese Anordnung den Nachteil, dass bei unterschiedlichen Stromzufuhren die emittierte Spannung sich ändern oder zu hoch oder zu niedrig werden kann.
  • Aufgrund dessen verändert in einer alternativen Ausführungsform die Vorspannungsschaltung die Steuerspannung und/oder den Strom während einer Zeitspanne entsprechend einer vorgegebenen Logik. Auch hier sind die technischen Hilfsmittel, mit denen dies erzielt werden kann, den Fachleuten allgemein bekannt. Die Logik, mit der das Verändern der Steuerspannung und/oder des Stroms bestimmt werden soll, ist entsprechend des zu erzielenden Ergebnisses einzustellen.
  • In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann zum Beispiel die Vorspannungsschaltung des Weiteren eine Referenzschaltung aufweisen, die in dem ganzen Serienelement den Spannungsabfall mit einer Referenzspannung vergleicht. Die Vorspannungsschaltung verändert die Steuerspannung und/oder den Strom nach oben oder nach unten, so dass der Spannungsabfall ein vordefiniertes Verhältnis zur Referenzspannung in dem Serienelement beibehält. Falls die Referenzspannung beispielsweise 1,0 V beträgt, dann kann die Steuerspannung und/oder der Strom über eine Impedanzkapazität (einen Widerstand) zugeführt werden, so dass die Spannung mit oder in etwa mit IV in dem Serienelement aufrechterhalten wird, im Gegensatz zu bisher 4 V oder 5 V, und zwar bei jedem beliebigen Strom, der durch das Serienelement fließt. Alternativ wird die Spannung auf einer vordefinierten Stufe nur beibehalten, wenn der durch das Serienelement fließende Strom von größerem Einwirkungsgrad ist. Zum Beispiel kann ein höherer oder ein niedrigerer Spannungsabfall während niedrigerer Ruheströme vielleicht nicht kritisch werden, und daher wäre keine Steuerung erforderlich. Allerdings kann ein niedriger Spannungsabfall bei hohen Stromzufuhren kritisch werden, so dass eine Steuerung angewendet werden muss.
  • Die Referenzschaltung kann einen Tiefpassfilter aufweisen, um jede hohe Frequenzkomponente in dem gemessenen Spannungsabfall des Serienelements herauszufiltern (im Gegensatz zu den Konfigurationen, die in den vorstehend genannten, technischen Dokumentationen der Firma Analog Services, USA vorgeschlagen werden). Diese Referenzschaltung kann an jeder Stelle in dem Schaltkreis ausgeführt werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform zu der vorstehend genannten kann die Manipulation der Steuerspannung und/oder des Steuerstroms mit einem Mikroprozessor erzielt werden, der zum Variieren der Steuerspannung und/oder des Stroms ausgelegt ist. Diese Lösung erlaubt die Anwendung von weiteren Steuerungsstufen. In einer Ausführungsform überwacht der Mikroprozessor beispielsweise den Signalpegel in dem Schaltkreis, in dem die elektronische Energiekonditionierschaltung zur Anwendung kommt, und verändert die Steuerspannung und/oder den Steuerstrom, so dass der Signalpegel auf einer vordefinierten Stufe gehalten wird. Insbesondere kann ein Widerstand, der die Impedanzkapazität der Steuerspannung und/oder der Stromzufuhr bereitstellt, variabel sein und zum Hinzufügen einer zusätzlichen Impedanz eingestellt werden, um einen ausgefallenen Anschluss zu kompensieren, so dass der niedrige Spannungsverlust so gehalten wird, dass keine Signalverzerrung eintritt.
  • Die vorstehend beschriebene Energiekonditionierschaltung weist eine hohe Impedanzkapazität über eine große Bandbreite auf. Bei niedrigen Frequenzen gibt es daher ein Problem, was durch den Anstieg bei den ”flachen Oberseiten” einer trapezförmigen Welle bei ~15 kHz bis 30 kHz gekennzeichnet ist. Um dies zu kompensieren, kann die Energiekonditionierschaltung des Weiteren eine Dämpfungsschaltung umfassen, die zur Reduzierung der Impedanz in der elektronischen Energiekonditionierschaltung bei niedrigen Frequenzen ausgelegt ist. Damit wird die Steuerung der Impedanz bei hohen Frequenzen den Terminatoren überlassen.
  • Diese Dämpfungsschaltung kann einen 5-MH-Induktor (MH = Message Handler) und einen 50-Ohm-Widerstand in Reihenschaltung aufweisen. Eine solche Anordnung verfügt über eine nahezu ideale, passive Energiekonditionierleistung.
  • Die vorstehend beschriebene Energiekonditionierschaltung ist auf das Problem des Spannungsverlustes in einem Serienelement ausgerichtet. Dies lässt in den bis jetzt bekannten Schaltungskonfigurationen immer noch die Problematik eines Spannungsverlusts in Zusammenhang mit einem Emitterwiderstand unberücksichtigt. Um dieses Problem anzugehen und um insgesamt zur Reduzierung eines Spannungsverlusts beizutragen, kann in den Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Energiekonditionierschaltungen der Schaltkreis des Weiteren einen Induktor in Reihenschaltung für das Serienelement aufweisen. Dieser Induktor weist eine Induktivität von weniger als 5 MH auf, aber vorzugsweise beträgt die Induktivität des Induktors zwischen 0,05 MH und 0,5 MH.
  • Das Ziel dieses Induktors besteht darin, den gesamten Spannungsverlust zu reduzieren und eine hervorragend hohe Frequenzleistung zu bieten, woran es in den Energiekonditionierschaltungen nach dem bisherigen Stand der Technik mangelt. Die Anwendung eines MOSFET als Serienelement bietet eine vorzügliche, niedrige Frequenzleistung, so dass in Kombination mit dem vorstehend genannten Induktor, ein hochwertiges und überragendes Gesamtschaltungsdesign zur Verfügung gestellt wird.
  • Der Induktor kann für eine Isolierung oder in Kombination mit einem Emitterwiderstand verwendet werden. Daher kommt in einer weiteren Ausgestaltung zusätzlich ein Emitterwiderstand zum Einsatz.
  • Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Art und Weise ausgeführt werden, aber zwei Ausführungsformen werden nun anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, welche zeigen:
  • 1 ist eine schematische Schaltungsanordnung einer Energiekonditionierschaltung nach dem bisherigen Stand der Technik.
  • 2 ist eine erste Ausführungsform einer elektronischen Energiekonditionierschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist eine zweite Ausführungsform einer elektronischen Energiekonditionierschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Die 2 und 3 veranschaulichen die vorliegende Erfindung in vereinfachten Ausgestaltungen zum Zwecke eines leichteren Verständnisses. Es versteht sich, dass die Energiekonditionierschaltungen, wie beispielsweise für den IEC-61158-Feldbus, in der Betriebspraxis an eine unaufbereitete, nicht-eigensichere Energieversorgung angeschlossen und in eine Bus-Architekturstruktur eingesetzt werden, die in bekannter Weise Terminatoren, Abschlusswiderstände und andere Komponenten beinhaltet. Die Energie für die Energiekonditionierschaltungen wird von einer oder von mehreren eigensicheren Verbindungsleitungen bezogen.
  • Mit Bezug auf 2 wird eine elektronische Energiekonditionierschaltung zum Einsatz in einem IEC 61158-Feldbus-Netzwerk gezeigt, ein Serienelement – MOSFET T1 –, ein Kondensator C3 und ein Widerstand R1, der als Gyratorschaltung ausgebildet ist, sowie eine Vorspannungsschaltung, die in 2 lediglich in Form einer zusätzlichen Eingabe in den Gate-Anschluss des Metall-Oxid-Halbleiter-Feld-Effekt-Transistor = MOSFET T1 erkennbar ist. Wie noch nachstehend näher beschrieben ist, versorgt die Vorspannungsschaltung das Steuerterminal des Serienelements (T1) mit einer Steuerspannung und/oder einem Steuerstrom, und ist ausgelegt, die erwähnte Steuerspannung und/oder den Steuerstrom so einzustellen, dass ein Spannungsabfall im Serienelement (T1) auf einer vordefinierten Stufe gehalten werden kann.
  • Wie bereits vorstehend erklärt, gleicht diese Schaltungskonfiguration den Serienelement-Spannungsverlust aus, ohne dass die Leistung beeinträchtigt wird. Der Anstieg der Gate-Spannung im T1 als Ergebnis der Anwendung der Steuerspannung und/oder des Steuerstroms über die Vorspannungsschaltung verringert dessen äquivalente Widerstandskapazität. Infolgedessen kann der Energie-/Spannungsverlust in Bezug auf den anzuwendenden Strom reduziert werden, im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen nach dem bisherigen Stand der Technik.
  • Die Steuerspannung und/oder der Strom kommen über eine Impedanzkapazität, die über den Widerstand R2 generiert worden ist, zum Einsatz.
  • Die Vorspannungsschaltung kann auf irgendeine bekannte Weise ausgeführt werden, wofür ein beliebiger Typ eines Steuerungsschaltkreises zur Anwendung kommt. Mit Bezug auf Vorstehendes kann der Schaltkreis eine fixierte Steuerspannung und/oder einen bestimmten Steuerstrom zuführen, allerdings hat dies den Nachteil, dass die emittierte Spannung bei unterschiedlichen Stromzufuhren sich ändern oder zu hoch oder zu niedrig werden kann. Daher soll stattdessen die Steuerspannung und/oder der Strom veränderbar sein, wobei ein Betriebsweg zum Erreichen dieses Ziels, nachstehend mit Bezug auf 3, beschrieben wird.
  • Bei der in 2 dargestellten Energiekonditionierschaltung wird der Emitterwiderstand R3 nach dem Stand der Technik (siehe 1) mit einem niederohmigen Induktor L1 [Blindwiderstand-Drosselspule] ersetzt. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt der induktive Widerstand des Induktors L1 zwischen 0,05 MH und 0,5 MH. Dieser Induktor L1 reduziert den gesamten Spannungsverlust der in 2 dargestellten Energiekonditionierschaltung im Gegensatz zu 1, und dadurch wird zugleich eine hervorragende Hochfrequenzleistung geboten.
  • Die Anwendung eines MOSFET T1 verfügt über eine vorzügliche, niedrige Frequenzleistung, so dass in Kombination mit dem Induktor L1 ein hervorragendes Gesamtschaltungsdesign zur Verfügung gestellt wird. Des Weiteren kann mit dem MOSFET T1 die Signalübertragung symmetrisch stattfinden, und das Abtrennen eines Terminals/Anschlusses führt zu keiner größeren Signalverzerrung.
  • Die Kombination des Einsatzes der Steuerspannung und/oder des Steuerstroms für den Gate-Anschluss des MOSFET T1 und das Einleiten des Induktors L1 verringert die Spannungsverluste im gesamten Schaltkreis auf etwa 0,5 V, was deutlich besser ist als der Verlust von bisher 2 V, welches mit der in 1 gezeigten Schaltung dargestellt ist.
  • 3 veranschaulicht eine erweiterte Ausgestaltung der Erfindung mit einer Reihe von zusätzlichen Funktionsmerkmalen. (Wenn hier die Komponenten die gleichen wie in 1 und 2 sind, dann sind dieselben Bezugszeichen verwendet worden).
  • Wie bei der in 2 gezeigten Schaltung weist die in 3 dargestellte eine elektronische Energiekonditionierschaltung zum Einsatz in einem IEC 61158-Feldbus-Netzwerk auf und umfasst einen MOSFET T1, einen Kondensator C3 und einen Widerstand R1, der als Gyratorschaltung bereitgestellt ist. Allerdings wird in 3 eine komplett automatisch betriebene Vorspannungsschaltung gezeigt. Wie nachstehend beschrieben ist, liefert die Vorspannungsschaltung eine Steuerspannung und/oder den Steuerstrom für den MOSFET T1 und sie ist ausgelegt, um die Steuerspannung und/oder den Steuerstrom so einzustellen, dass ein Spannungsabfall im MOSFET T1 auf einer vordefinierten Stufe gehalten wird.
  • Die Vorspannungsschaltung umfasst eine Referenz-Schaltung, die einen Operationsverstärker U1 und Referenz-Energieversorgung V1 aufweist. Auch sind die Widerstände R7 und R8 enthalten, um die Schaltung verwaltend zu handhaben, wenngleich zu verstehen ist, dass diese optional sind. Die Referenzschaltung weist des Weiteren eine Tiefpassfilterschaltung auf, die den Widerstand R6 und den Kondensator C1 umfasst, um in der vorgenommenen Messung jede hohe Frequenzkomponente herauszufiltern. Ferner umfasst die Referenzschaltung außerdem eine Dämpfungsschaltung mit einem 50-Ohm-Widerstand R4 und einem 5-MH-Induktor L2, um bei niedrigen Frequenzen die Impedanz zu verringern.
  • Wie aus 3 klar zu erkennen ist, misst die Referenzschaltung die Spannung, die in dem MOSFET T1 und in dem Induktor L1 abfallend ist, und vergleicht sie mit der Referenzspannung V1. Die ausgegebene Steuerspannung und/oder der emittierte Steuerstrom aus dem Operationsverstärker U1 wird daraufhin verändert, so dass die Spannung in dem MOSFET T1 und in dem Induktor L1 auf einer vordefinierten Stufe gehalten wird. Falls die Referenzspannung V1 beispielsweise 1,0 V beträgt, dann kann die Steuerspannung und/oder der Steuerstrom über eine Impedanz R2 (einen Widerstand) zugeführt werden, so dass jene Spannung in dem MOSFET T1 und in dem Induktor L1 mit oder in etwa mit 1 V aufrechterhalten wird – im Gegensatz zu den bisher 4 V oder 5 V –, und zwar bei jedem beliebigen Strom, der durch das Serienelement fließt. Als Alternative kann die Spannung auf einer vordefinierten Stufe nur gehalten werden, wenn der durch den MOSFET T1 fließende Strom über einen größeren Einwirkungsgrad verfügt. Zum Beispiel kann ein höherer oder niedrigerer Spannungsabfall während niedrigerer Ruheströme auch nicht kritisch sein und daher wäre keine Steuerung erforderlich. Aber bei hohen Stromzufuhren kann ein niedriger Spannungsabfall kritisch werden, so dass eine Steuerung angewendet werden muss.
  • Die Tiefpassfilterschaltung R6 und C1 dient zum Herausfiltern jeder hohen Frequenzkomponente in dem gemessenen Spannungsabfall des MOSFET T1. Die Dämpfungsschaltung R4 und L2 dient zum Kompensieren der hohen Impedanz in der Energiekonditionierschaltung über eine große Bandbreite, welches bei niedrigen Frequenzen ein Problem wäre, weshalb die Impedanz bei solchen niedrigen Frequenzen heruntergefahren würde. Den Terminatoren (die nicht dargestellt sind) wird bei hohen Frequenzen die Steuerung der Impedanz überlassen. Die erfindungsgemäße Dämpfungsschaltung R4 mit L2 verfügt über eine nahezu ideale, passive Energiekonditionierleistung und leitet außerdem in die Energiekonditionierschaltung eine Niederfrequenzstabilität ein. Der gemessene Spannungsabfall wird daraufhin in den Operationsverstärker U1 für den auszuführenden Vergleich mit der Bezugsspannung eingespeist.
  • Falls daher der Spannungsabfall in dem MOSFET T1 – aufgrund einer Erhöhung des Stromflusses – über eine Referenzspannung V1 ansteigt, stellt die Vorspannungsschaltung automatisch den MOSFET T1 ein, so dass der Spannungsabfall über ihn zurückgeführt oder mit der erforderlichen Spannung gehalten wird. Selbstverständlich wird diese erforderliche Spannung durch die Höhe bestimmt, mit der die Referenzspannung V1 eingestellt ist.
  • Daher ist kurzgefasst die in 3 gezeigte Schaltung eine Gyratorschaltung mit einer verbesserten Impedanzkapazität aufgrund des Induktors L1, der Hilfsmittel aufweist, um sich selbst unter Anwendung einer automatischen Gleichstrom-Spannungssteuerung [DC] zu korrigieren, welche die DC-Spannungsdifferenz im MOSFET T1 mit einem wechselnden Gleichstrom-Bedarf reduziert bzw. stabilisiert, und das alles unter Beibehaltung der erforderlichen Wechselstrom-Ausgangsimpedanz [AC] zur Erfüllung der Feldbus-Anforderungen gemäß der IEC 61158-Norm.
  • In der Summe ist diese erfindungsgemäße Energiekonditionierschaltung weitaus stabiler als diejenigen nach dem bisherigen Stand der Technik, und zwar aufgrund der Tatsache, dass sie eine einfache, modifizierbare Gyratorschaltung zur Generierung einer Impedanz anwendet.
  • Die vorstehend beschriebenen Schaltungen gemäß der Erfindung können modifiziert werden, ohne dass der Schutzumfang von Patentanspruch 1 aufgegeben wird. In einer alternativen Ausführungsform (die nicht dargestellt ist) wird zum Beispiel eine elektronische Energiekonditionierschaltung mit einer redundanten Schaltung bereitgestellt, wobei eine Dämpfungsschaltung, die R4 und L2 umfasst, in dem gemeinsamen Bus an irgendeiner Stelle platziert sein kann. Deren Ausführung wird unter Anwendung einer LCR- oder LC-Schaltung, die parallel mit dem einen oder mit mehreren Terminatoren oder Terminal-Komponenten funktionieren, erzielt.
  • In einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) kann die Manipulation der Steuerspannung und/oder des Steuerstroms mit einem Mikroprozessor ausgeführt werden, der zum Variieren der Steuerspannung und/oder des Stroms ausgelegt ist. In einer solchen Ausführungsform kann der Mikroprozessor ferner zum Überwachen des Signalpegels in dem Schaltkreis ausgelegt sein, in dem die elektronische Energiekonditionierschaltung zum Einsatz kommt, und um die Steuerspannung und/oder den Steuerstrom zu verändern, so dass der Signalpegel auf einer vordefinierten Stufe beibehalten wird. Im Besonderen kann der Widerstand R2, der die Impedanz bereitstellt, variabel und zum Hinzufügen einer zusätzlichen Impedanz einstellbar sein, um einen ausgefallenen Anschluss zu kompensieren, so dass der niedrige Spannungsverlust gehalten wird und keine Signalverzerrung eintritt.
  • Daher stellt die vorliegende Erfindung eine Lösung bezüglich einer elektronischen Energiekonditionierschaltung zur Verfügung, die in Zusammenhang mit den bekannten, elektronischen Integrationslösungen Spannungsverluste signifikant reduziert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • IEC 61158-Norm-Anforderungen [0001]
    • IEC 61158-Norm [0002]
    • IEC-61158-Feldbusnetzen [0006]
    • ”Foundation Fieldbus Power Supply, A Look At Powering Fieldbus by Analog Services, Inc. (revidierte Version vom 22.10.2000)” [0009]
    • IEC 61158-Feldbus-Netzwerk [0011]
    • IEC-61158-Feldbus [0029]
    • IEC 61158-Feldbus-Netzwerk [0030]
    • IEC 61158-Feldbus-Netzwerk [0038]
    • IEC 61158-Norm [0043]

Claims (13)

  1. Elektronische Energiekonditionierschaltung zum Einsatz in einem IEC-61158-Feldbus-Netzwerk, die ein Serienelement, einen Kondensator und einen Widerstand aufweist, der als Gyratorschaltung bereitgestellt wird, sowie eine Vorspannungsschaltung, wobei die Vorspannungsschaltung eine Steuerspannung und/oder einen Steuerstrom an ein Steuerterminal im Serienelement zuführt, und in der die Vorspannungsschaltung ausgelegt ist, die Steuerspannung und/oder den Strom so einzustellen, dass ein Spannungsverlust in dem Serienelement auf einer vordefinierten Stufe gehalten wird.
  2. Elektronische Energiekonditionierschaltung gemäß Anspruch 1, in der das Serienelement ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feld-Effekt-Transistor [MOSFET] ist.
  3. Elektronische Energiekonditionierschaltung gemäß Anspruch 2, in der die Vorspannungsschaltung die Steuerspannung und/oder den Steuerstrom mit einem fixen Pegel einstellt.
  4. Elektronische Energiekonditionierschaltung gemäß Anspruch 2, in der die Vorspannungsschaltung die Steuerspannung und/oder den Steuerstrom während einer Zeitspanne entsprechend einer vorgegebenen Logik verändert.
  5. Elektronische Energiekonditionierschaltung gemäß Anspruch 4, in der die Vorspannungsschaltung eine Referenzschaltung aufweist, die den Spannungsabfall mit einer Referenzspannung in dem Serienelement vergleicht, und in der die Vorspannungsschaltung die Steuerspannung und/oder den Steuerstrom nach oben oder nach unten verändert, so dass der Spannungsabfall ein vordefiniertes Verhältnis zur Referenzspannung in dem Serienelement beibehält.
  6. Elektronische Energiekonditionierschaltung gemäß Anspruch 5, in der die Referenzschaltung einen Niederpassfilter aufweist.
  7. Elektronische Energiekonditionierschaltung gemäß Anspruch 4, in der die Vorspannungsschaltung einen Mikroprozessor aufweist, der zum Variieren der Steuerspannung und/oder des Steuerstroms ausgelegt ist.
  8. Elektronische Energiekonditionierschaltung gemäß Anspruch 7, in der der Mikroprozessor einen Signalpegel in dem Schaltkreis überwacht, indem die elektronische Energiekonditionierschaltung zur Anwendung kommt, und die Steuerspannung und/oder den Steuerstrom so verändert, dass der Signalpegel auf einer vordefinierten Stufe gehalten wird.
  9. Elektronische Energiekonditionierschaltung gemäß Anspruch 4, in der die elektronische Energiekonditionierschaltung des Weiteren eine Dämpfungsschaltung aufweist, die bei niedrigen Frequenzen zur Reduzierung der Impedanz in der elektronischen Energiekonditionierschaltung ausgelegt ist.
  10. Elektronische Energiekonditionierschaltung gemäß Anspruch 9, in der die Dämpfungsschaltung einen 5-MH-Induktor (MH = Message Handler) und einen 50-Ohm-Widerstand in Reihenschaltung aufweist.
  11. Elektronische Energiekonditionierschaltung gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, in der die elektronische Energiekonditionierschaltung des Weiteren einen Induktor in Reihenschaltung mit dem Serienelement aufweist.
  12. Elektronische Energiekonditionierschaltung gemäß Anspruch 11, in der der Induktor einen induktiven Widerstand [Induktivität] von weniger als 5 MH aufweist.
  13. Elektronische Energiekonditionierschaltung gemäß Anspruch 12, in der der induktive Widerstand des Induktors zwischen 0,05 MH und 0,5 MH beträgt.
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