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Title:
PROTECTIVE CIRCUIT FOR A SIGNAL OUTPUT STAGE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/167064
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a protective circuit for protecting an output stage (5) in the event of faulty contacting of the electrical connections (2, 3, 4), wherein the output stage (5) consists of a driver unit and has an analog or digital signal output (4). According to the invention, in order to protect the output stage from a faulty connection in a simple and economical manner, the protective circuit comprises a first transistor circuit (T1), which is connected in series between the output stage (5) and the signal output (4), and a second transistor circuit (T2), which is connected in series between the negative supply connection (3) and the signal output (4). The second transistor circuit (T2) is connected to the base of the first transistor circuit (T1) in order to influence the first transistor circuit (T1) in such a way that the first transistor circuit becomes highly resistive in the event of a fault.

Inventors:
WALTER HEINZ (DE)
Application Number:
EP2014/057293
Publication Date:
October 16, 2014
Filing Date:
April 10, 2014
Export Citation:
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Assignee:
IFM ELECTRONIC GMBH (DE)
International Classes:
H01L27/02; H02H9/04
Foreign References:
US20070145484A12007-06-28
US20090141412A12009-06-04
US20040052022A12004-03-18
Other References:
None
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Claims:
Ansprüche

1 . Schutzschaltung für eine Ausgangsendstufe (5) bei fehlerhafter Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse (2, 3, 4), wobei die Ausgangsendstufe (5) aus einer Treibereinheit besteht und einen analogen oder digitalen Signalausgang (4) aufweist,

mit einer ersten Transistorschaltung (T1 ), die in Reihe zwischen der

Ausgangsendstufe (5) und dem Signalausgang (4) geschaltet ist, und einer zweiten Transistorschaltung (T2), die in Reihe zwischen dem

Versorgungsminus-Anschluss (3) und dem Signalausgang (4) geschaltet ist, wobei die zweite Transistorschaltung (T2) mit der Basis der ersten

Transistorschaltung (T1 ) verbunden ist, um die erste Transistorschaltung (T1 ) derart zu beeinflussen, dass diese im Fehlerfall hochohmig wird.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Transistorschaltung (T2) invers betriebenen wird, so dass der Emitter der zweiten Transistorschaltung (T2) mit der Basis der ersten Transistorschaltung (T1 ) verbunden ist.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Transistorschaltung (T2) normal betrieben wird, so dass Kollektor der zweiten Transistorschaltung (T2) mit der Basis der ersten Transistorschaltung (T1 ) verbunden ist, und in Reihe zur Basis der zweiten Transistorschaltung (T2) eine Diode geschaltet ist.

4. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, dass der Signalausgang (4) als Spannungsausgang mit 0 bis 10 V ausgeführt ist.

5. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, dass der Signalausgang (4) als Stromausgang mit 4 bis 20 mA ausgeführt ist.

6. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, dass der Signalausgang (4) als binäre, insbesondere als RS232- oder RS485-Schnittstelle ausgeführt ist.

Description:
SCHUTZSCHALTUNG FÜR EINE SSGNALAUSGANGS-STUFE

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für eine Ausgangsendstufe bei

fehlerhafter Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse, wobei die Ausgangsendstufe aus einer Treiberschaltung besteht und einen analogen oder digitalen Signalausgang aufweist.

In der Automatisierungs- und Prozesstechnik kommen häufig Sensoren bzw.

Messgeräte zum Einsatz, die den erfassten Messwert - z.B. Druck, Temperatur, Durchfluss, aber auch Abstand oder Vibration - in ein diesen Messwert

repräsentierendes Ausgangssignal in Form eines analogen Strom- oder

Spannungssignals umwandeln und dieses Signal an ihrem Kabel- oder

Steckeranschluss zur weiteren Verarbeitung anbieten, bspw. einer SPS. Damit diese Signale auswertbar sind, müssen sie zuvor verstärkt werden, was zumeist in einer Treiberstufe erfolgt, die als separater oder kombinierter Chip auf der Platine im Sensorgehäuse angeordnet ist. Ein solcher Chip ist bspw. der AD5410 von Analog Devices.

Diese Ausgangsendstufen können jedoch bei fehlerhaftem Anschluss schnell zerstört werden. Die am Treiberausgang obligatorisch integrierten ESD-Schutzdioden wirken bestimmungsgemäß gegen Spannungstransienten, denen der Treiberausgang auch bei normaler Handhabung durch das Herausführen aus dem Sensor ausgesetzt sein kann. Wird aber bspw. der Versorgungsminus-Anschluss (= Masse) an die positive Versorgungsspannung (UB+) angeschlossen und der Ausgangsanschluss an die negative Versorgungsspannung (UB-), fließt ein Kurzschlussstrom durch jene ESD- Schutzdiode, welche zwischen Masse und Treiberausgang verbunden ist. Auch kommt es bei Messgeräten mit hoher Betriebsstromaufnahme beim Nichtanschiießen des Versorgungsminus-Anschlusses zur Zerstörung, da der gesamte Betriebsstrom des Gerätes durch die ESD-Schutzdiode fließt und täuscht durch die dadurch scheinbar korrekte Funktion einen korrekten Anschluss vor, bis die ESD-Schutzdiode wegen Überlastung zerstört wird.

Eine denkbare Lösung sieht vor, eine ausreichend leistungsfähige Schutzdiode dem Analogausgang gegen Masse parallel zu schalten und zwischen der

Ausgangsendstufe und dem eigentlichen Signalausgang einen Widerstand

vorzusehen, der im Falle eines Kurzschlusses den Strom begrenzt. Dazu darf der Widerstand jedoch nicht besonders hochohmig sein, um den entstehenden

Spannungsabfaii im Normalbetrieb nicht allzu sehr zu erhöhen, er muss deshalb aber eine gewisse Leistungsklasse aufweisen, um die durch den Kurzschlussstrom erzeugte Wärmeentwicklung auszuhalten. Derartige Bauteile sind jedoch groß und teuer, so dass deren Einbau schwierig und unwirtschaftlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ausgangsendstufe auf einfache und preisgünstige Weise vor einem fehlerhaften Anschluss zu schützen.

Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.

Wie bereits einleitend dargelegt, sind die auf dem Chip integrierten ESD-Schutz- Dioden nicht ausreichend robust, um die genannten Fehlerfälle ohne Beschädigung bzw. Zerstörung zu überstehen. Kern der Erfindung ist es demnach, die Treiberstufe so zu ergänzen, dass im Falle einer fehlerhaften Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse die Ausgangsendstufe geschützt ist.

Dafür weist die Schaltung, die eine Ausgangsendstufe, bestehend aus einer

Treibereinheit und einem analogen oder digitalen Signalausgang, im Falle einer fehlerhaften Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse schützen soll,

erfindungsgemäß eine erste Transistorschaltung auf, die in Reihe zwischen der Ausgangsendstufe und dem Signalausgang geschaltet ist, und eine zweite

Transistorschaltung, die in Reihe zwischen Masse und dem Signalausgang geschaltet ist, auf. Dabei ist die zweite Transistorschaltung mit der Basis der ersten Transistorschaltung verbunden, um die erste Transistorschaltung derart zu

beeinflussen, dass diese in dem genannten Fehlerfall hochohmig wird.

Die hinzugefügten Transistorschaltungen stellen somit eine Erweiterung dar, die sowohl auf dem Chip integriert, als auch außerhalb des Chips angeordnet sein kann.

Im Normalfall ist die erste Transistorschaltung niederohmig, so dass über ihr kaum Spannung abfällt. Kommt es jedoch zu einer falschen Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse, beeinflusst die zweite Transistorschaltung die erste derart, dass diese hochohmig wird und damit für einen Widerstand sorgt, der den Stromfluss unterbricht und damit die Treiberstufe vor der Zerstörung durch einen Kurzschlussstrom schützt. ln einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Transistorschaltung invers betrieben wird, so dass der Emitter der zweiten

Transistorschaltung mit der Basis der ersten Transistorschaltung verbunden ist. Das hat den Vorteil, dass ein versehentlich von außen angelegter Spannungspegel am Signalausgang nicht zum Durchbrechen der Basis-Emitter-Strecke des Transistors der zweiten Transistorschaltung führt.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der

Signalausgang entweder als Spannungsausgang mit 0 bis 10 V oder als

Stromausgang mit 4 bis 20 mA ausgeführt ist. Im Falle eines Spannungsausgangs ist jedoch eine hochohmige Feedback-Leitung zur Treibereinheit nötig.

Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Sensorschaltung mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung nach einer ersten Ausführungsform und

Figur 2 eine Sensorschaltung mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung nach einer zweiten Ausführungsform.

Die Figur 1 zeigt eine Sensorschaltung, bestehend aus einem Sensorelement 1 1 mit einer integrierten Verstärkereinheit, einem A/D-Wandler 12, einem digitalen

Signalprozessor 13 zur Signalkonditionierung und einer Treibereinheit 5, die vom Signalprozessor 13 über ein digitales Protokoll angesprochen wird und über einen integrierten D/A-Wandler verfügt. Am Versorgungsplus-Anschluss 2 ist neben den beiden Schutzdiode, die für den Fall einer Verpolung vorgesehen sind, ein

Spannungs- bzw. Längsregler 10 angeordnet. Das Sensorelement 1 1 ist bevorzugt als Vibrationssensor ausgeführt, kann allerdings auch zur Erfassung anderer denkbarer Messwerte als Druck-, Temperatur-, Durchfluss- bzw. Strömungs- oder als Abstandssensor auf induktiver, kapazitiver oder optischer Basis ausgeführt sein.

Die Sensorschaltung ist am Ausgang der Treiberstufe 5 erweitert um die

erfindungsgemäße Schutzschaltung 1 , die zwischen der Treiberstufe 5 und dem analogen Signalausgang 4 angeordnet ist. Die Treiberstufe ist bevorzugt als

AD5410-Chip von Analog Devices ausgeführt. Durch den inversen Betrieb der zweiten Transistorschaltung 12 ergibt sich der Vorteil, dass ein versehentlich von außen angelegter Spannungspegel am Signalausgang 4 nicht zum Durchbrechen der Basis-Emitter-Strecke des Transistors der zweiten Transistorschaltung T2 führt.

Die in dem Chip der Treiberstufe 5 integrierte Schutzdiode 5a wirkt lediglich gegen Spannungstransienten, denen der Analogausgang 4 auch bei normaler Handhabung durch das Herausführen aus dem Sensor aufgrund elektrostatischer Entladung ausgesetzt sein kann. Wird aber der Versorgungsminus-Anschluss 3 an die positive Versorgungsspannung (UB+) angeschlossen und der Ausgangsanschluss 4 an die negative Versorgungsspannung (UB-), fließt ein Kurzschlussstrom durch jene ESD- Schutzdiode 5a, welche in Durchlassrichtung zwischen Masse und Analogausgang 4 verbunden ist. Auch kommt es bei Messgeräten mit hoher Betriebsstromaufnahme beim Nichtanschließen des Versorgungsminus-Anschlusses 3 zur Zerstörung, da der gesamte Betriebsstrom des Gerätes durch die ESD-Schutzdiode 5a fließt und täuscht durch die dadurch scheinbar korrekte Funktion einen korrekten Anschluss vor, bis die ESD-Schutzdiode 5a wegen Überlastung zerstört wird.

In diesen Fällen beeinflusst die zweite Transistorschaltung 12 die erste

Transistorschaltung T1 derart, dass diese hochohmig wird, während sie im Normalfall niederohmig ist. Damit wird der Kurzschlussstrom unterbrochen und die Treiberstufe 5 geschützt.

Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung 1 ist in Figur 2 dargestellt. Der Unterschied zur Ausführung nach Fig. 2 ist, dass die zweite

Transistorschaltung T2 im Normalbetrieb, d.h. nicht invers, geschaltet ist. Die

Ausführungsform mit inversem Transistor T2 kann nur bis etwa 7 V betrieben werden, was bei einem Stromausgang von 20 mA einer Bürde von 350 Ohm entspricht. Wenn dem Transistor T2 in Reihe zur Basis eine Diode geschaltet ist, kann er normal betrieben werden und es sind Spannungen größer 7 V und damit auch einer größeren Bürde möglich. Der Vorteil der Ausführung mit inversem

Transistor T2 liegt jedoch darin, dass die Schaltung im Verpolfall sensibler reagiert als mit einem Transistor T2 im Normalbetrieb.