[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Signalübertragung zwischen einer
Empfangsstation und einer Sendestation sowie zur Stromversorgung der Sendestation.
[0002] Aus der EP-A-0 744 724 ist eine solche Schaltungsanordnung bekannt, bei der die beiden
Stationen durch eine Zweidrahtleitung verbunden sind, über die ein zwischen zwei Grenzwerten
veränderlicher analoger Signalstrom übertragen wird, der einen in der Sendestation
von einem Sensor erfaßten Meßwert repräsentiert und den für den Betrieb der Sendestation
erforderlichen Versorgungsstrom bildet. Die Sendestation weist dabei eine Schaltung
auf, die eine konstante Betriebsspannung für die Sendestation erzeugt, und sie enthält
eine steuerbare Stromquelle, die den über die Zweidrahtleitung fließenden Strom in
Abhängigkeit von dem Meßwert bestimmt und die aus einer Versorgungsspannungsquelle
in der Empfangsstation gespeist wird. Dabei findet die Sendestation an ihren beiden
Eingängen eine Spannung vor, die je nach Wahl der Versorgungsspannungsquelle in weiten
Bereichen variieren kann. Zur Meßwertübertragung regelt die Sendestation ihren Eingangsstrom
in idealer Weise so, daß dieser nur vom Meßwert abhängig ist. Die Versorgung der Sendestation
erfolgt dabei ausschließlich über die Zweidrahtleitung, wobei die Eingangsspannung
im allgemeinen größer als die intern benötigte Versorgungsspannung ist. In der Sendestation
wird daher die Eingangsspannung durch einen Linearregler auf die intern benötigte
Versorgungsspannung herabgesetzt. Damit ist aber der zur Verfügung stehende Versorgungsstrom
durch den Eingangsstrom der Sendestation begrenzt. Durch diese Einschränkung ist aber
die Flexibilität hinsichtlich der Verwendung der Sensoren und Signalauswertungsschaltungen
in der Sendestation begrenzt, da es durchaus auch erwünscht sein kann, Sensoren zu
verwenden, die einen größeren Strom benötigen als ihr über die Zweidrahtleitung zugeführt
werden kann.
[0003] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Signalübertragungs- und Stromversorgungsanordnung
zu schaffen, die hinsichtlich der verwendbaren Sensoren und Signalaufbereitungseinheiten
in der Sendestation sehr flexibel ist und hinsichtlich der Stromversorgung an die
jeweiligen Gegebenheiten angepaßt werden kann.
[0004] Zur Lösung dieser Aufgabe wird durch die Erfindung eine Anordnung zur Signalübertragung
zwischen einer Empfangsstation und einer Sendestation sowie zur Stromversorgung der
Sendestation geschaffen, bei der diese beiden Stationen miteinander durch eine Zweidrahtleitung
verbunden sind, über die ein zwischen zwei Grenzwerten veränderlicher analoger Signalstrom
übertragen wird, der einen in der Sendestation von einem Sensor erfaßten Meßwert repräsentiert
und den für den Betrieb der Sendestation erforderlichen Versorgungsstrom bildet, wobei
die Sendestation eine Schaltung aufweist, die eine konstante Betriebsspannung für
die Sendestation erzeugt, und wobei in der Sendestation eine steuerbare Stromquelle
vorgesehen ist, die den über die Zweidrahtleitung fließenden Strom in Abhängigkeit
von dem Meßwert bestimmt und die aus einer Versorgungsspannungsquelle in der Empfangsstation
gespeist wird, wobei die Stromquelle ein Serienstromregler ist, der aus der Versorgungsspannungsquelle
in der Empfangsstation gespeist wird, mit dem Ausgang der Stromquelle eine Ladungspumpe
verbunden ist, die aus der am Ausgang der Stromquelle auftretenden Spannung die für
den Betrieb des Sensors und einer mit diesem verbundenen Signalverarbeitungsschaltung
erforderliche Betriebsspannung erzeugt, und mit dem Eingang oder dem Ausgang der Ladungspumpe
ein Parallelregler zum Konstanthalten der Eingangsspannung bzw. der Ausgangsspannung
der Ladungspumpe verbunden ist.
[0005] Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich zu dem Parallelregler
am Eingang oder am Ausgang der Ladungspumpe auf der jeweils anderen Seite der Ladungspumpe
ein weiterer Parallelregler vorgesehen.
[0006] Nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich zu dem Parallelregler
am Eingang oder am Ausgang der Ladungspumpe auf der jeweils anderen Seite der Ladungspumpe
ein Längsregler vorgesehen.
[0007] In einer Weiterbildung ist die Stromquelle durch einen Spannungsregler überbrückt,
der in einer Anlaufphase eine Eingangsspannung für die Ladungspumpe liefert, wobei
die Stromquelle so ausgebildet ist, daß sie in der Anlaufphase erst dann einen Ausgangsstrom
liefert, wenn die Ladungspumpe eine für seinen Betrieb ausreichende Ausgangsspannung
abgibt, wobei der Spannungsregler so ausgelegt ist, daß er in einen gesperrten Zustand
übergeht, sobald die Ausgangsspannung die Betriebsspannung erreicht.
[0008] In einer Weiterbildung hat die Ladungspumpe einen Spannungsübertragungsfaktor < 1.
[0009] Durch die Verwendung der Kombination aus Strom- und Spannungsreglern in Verbindung
mit einer Ladungspumpe lassen sich in weiten Grenzen die für den Betrieb der Sendestation
erforderlichen Strom- und Spannungswerte einstellen, so daß eine hohe Flexibilität
hinsicht der verwendbaren Sensoren erreicht wird. Insbesondere können in der Sendestation
Schaltungseinheiten zur Anwendung kommen, die einen Versorgungsstrom benötigen, der
größer als der Strom ist, der als maximaler Signalstrom über die Zweidrahtleitung
zur Empfangsstation fließen darf. Hervorzuheben ist als Vorteil der erfindungsgemäßen
Anordnung auch ihre leichte Integrierbarkeit. Sie enthält keine Induktivitäten, sondern
im wesentlichen Kondensatoren, die mit Kapazitäten < 1nF leicht in integrierter Form
hergestellt werden können.
[0010] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- eine schematische Übersichtsdarstellung einer Anordnung zur Signalübertragung zwischen
einer Sendestation und einer Empfangsstation, in der die Erfindung anwendbar ist,
- Figur 2
- ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäß aufgebauten Spannungsversorgung
für die Anordnung von Figur 1,
- Figur 3
- ein Schaltbild der Spannungsversorgung von Figur 2, wobei die einzelnen Schaltungseinheiten
beispielhaft genauer in ihrem Aufbau dargestellt sind,
- Figur 4
- ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäß aufgebauten
Spannungsversorgung für die Verwendung in der Anordnung von Figur 1 und
- Figur 5
- ein Schaltbild der Spannungsversorgung von Figur 4, wobei die einzelnen Schaltungseinheiten
beispielhaft in ihrem Aufbau genauer dargestellt sind.
[0011] Die in Figur 1 dargestellte Anordnung zur Signalübertragung enthält eine Empfangsstation
10 und eine Sendestation 12, die über eine Zweidrahtleitung 14 miteinander verbunden
sind. In der Empfangsstation 10 befindet sich eine Signalauswertungsachaltung 16,
die symbolisch als Strommesser dargestellt ist, da der über die Zweidrahtleitung 14
zur Empfangsstation 10 fließende Strom der auszuwertende elektrische Parameter ist.
Ferner enthält die Empfangsstation 10 eine Versorgungsspannungsquelle 18, die die
für den Betrieb der Signalübertragungsanordnung sowohl empfangsseitig als auch sendeseitig
benötigte Energie zur Verfügung stellt.
[0012] Die Sendestation 12 enthält einen Sensor 20, der in einem Prozeß eine Prozeßgröße,
beispielsweise eine Temperatur, einen Druck, einen Füllstand oder dergleichen als
Meßwert erfaßt. Der Sensor 20 gibt sein Ausgangssignal, das den Meßwert repräsentiert,
an eine Signalverarbeitungsschaltung 22, die ein der vom Sensor 20 erfaßten Meßgröße
proportionales Steuersignal erzeugt. Eine in der Sendestation 12 enthaltene Schaltung
24 erzeugt die für den Betrieb der Signalverarbeitungsschaltung 22 und des Sensors
20 erforderliche Betriebsspannung, und sie stellt gleichzeitig den über die Zweidrahtleitung
14 fließenden Strom unter der Steuerung durch das ihrem Eingang 25 zugeführte Steuersignal
auf einen dem vom Sensor 20 erfaßten Meßwert proportionalen Stromwert I
in. Ihre Eingänge 26 und 28 sind mit der Zweidrahtleitung 14 verbunden, während ihre
Ausgänge 30 und 32, an denen sie die konstante Betriebsspannung abgibt, mit den Versorgungsspannungsanschlüssen
der Signalverarbeitungsschaltung 22 und des Sensors 20 verbunden sind.
[0013] In Figur 2 ist der Aufbau der Schaltung 24 in einer Prinzipdarstellung gezeigt. Die
Schaltung enthält eine Stromquelle 34, die als Serienstromregler ausgebildet ist.
Der über das Steuersignal am Eingang 25 eingestellte Strom wird durch den Serienstromregler
konstant auf dem eingestellten Wert gehalten, wobei als Referenzgröße der Spannungsabfall
benutzt wird, der an einem vom eingestellten Strom durchflossenen Meßwiderstand 36
abgegriffen wird. Am Ausgang des Serienstromreglers 34 ergibt sich aufgrund des Innenwiderstands
der weiteren Schaltungsteile eine Spannung U
V. Diese Spannung dient als Versorgungsspannung für eine Ladungspumpe 38, die an ihrem
Ausgang eine Spannung U
out liefert, die die Versorgungsspannung für die Signalverarbeitungsschaltung 22 und
den Sensor 20 darstellt. Diese Ausgangsspannung U
out wird mittels eines als Parallelregler ausgeführten Spannungsreglers 40 konstant gehalten.
[0014] Die Ladungspumpe 38 besteht herkömmlicherweise aus einer Reihe von Schaltern 38.1
- 38.4 und Kondensatoren C1, C2, C3 sowie einer Steuerschaltung 39, die die Schalter
38.1 - 38.4 so steuern (öffnen und schließen), daß am Kondensator C3 eine Ladespannung
auftritt, die der gewünschten Ausgangsspannung entspricht. Der Aufbau der Ladungspumpe
ist in Figur 3 und in Figur 5 nur schematisch dargestellt, da Aufbau und Wirkungsweise
solcher Schaltungen dem Fachmann in verschiedenen Ausführungen bekannt sind (beispielsweise
aus "Halbleiterschaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, 1991, S. 570, 571).
[0015] Für den Fall, daß das Steuersignal am Eingang 25 den Serienstromregler 34 auf einen
höheren Stromwert einstellt, als er von der Ladungspumpe 38 abgeleitet werden kann,
kann dieser Strom über eine zusätzliche Schaltungseinheit 42 abgeleitet werden, die
als Spannungsbegrenzungsschaltung wirkt. Der vom Serienstromregler 34 gelieferte höhere
Strom hat nämlich eine höhere Spannung U
V zur Folge, und die Spannungsbegrenzungsschaltung 42 kann so ausgelegt werden, daß
sie bei Überschreiten eines vorgegebenen Spannungswerts anspricht und den überschüssigen
Strom unter Erzielung einer Spannungsbegrenzung ableitet.
[0016] Die Schaltung von Figur 2 ermöglicht innerhalb weiter Grenzen die Einstellung von
Strom- und Spannungswerten für den Betrieb der Signalverarbeitungsschaltung 22 und
des Sensors 20 in der Sendestation. Anschließend wird eine Abschätzung der Betriebsgrenzen
der in Figur 2 dargestellten Schaltung dargelegt.
[0017] Durch die Spannungsübersetzung v
U der Ladungspumpe 38 kann bestimmt werden, welche Spannung U
V = U
Vmin mindestens notwendig ist, damit am Ausgang die Sollspannung U
out = U
OutSoll erreicht wird:

[0018] Bei einer Begrenzung der Vorspannung durch die Spannungsbegrenzungsschaltung 42 sollte
die minimal notwendige Spannung U
Vmin sicher erreicht werden:

[0019] Die untere Grenze U
InMin des Eingangsspannungsbereichs ergibt sich aus der maximal möglichen Vorspannung U
VBypass zuzüglich dem für den Betrieb des Stromreglers 34 benötigten Spannungsabfall U
IReg:

[0020] Wenn vorausgesetzt wird, daß im Serienstromregler 34 und in der Spannungsbegrenzungsschaltung
42 keine Stromverluste auftreten, ergibt sich am Ausgang der maximal entnehmbare Strom
I
OutMax aus dem Stromübersetzungsverhältnis V
I der Ladungspumpe 38 und dem vom erfaßten Meßwert abhängigen Eingangsstrom I
In:

[0021] Übliche Ladungspumpen erreichen einen Leistungswirkungsgrad von annähernd 100 %.
Für die Übersetzungsverhältnisse v
U und v
I gilt dann:

[0022] Der Serienstromregler 34 kann mit der Ausgangsspannung U
Out betrieben werden. Es müssen dann aber besondere Vorkehrungen getroffen werden, damit
die Schaltung 24 anläuft und die erforderliche Ausgangsspannung liefert. Dazu besteht
die Möglichkeit, den Serienstromregler 34 so auszulegen, daß er ohne eigene Versorgungsspannung
einen gegebenenfalls ungeregelten Strom an die Ladungspumpe 38 liefert. Die Ladungspumpe
38 ist dann in der Lage, eine Ausgangsspannung U
Out zu erzeugen. Mit dieser Ausgangsspannung kann dann der Serienstromregler 34 betrieben
werden.
[0023] In Figur 3 ist ein Schaltbild dargestellt, in dem der prinzipielle Aufbau des Serienstromreglers
34, der Spannungsbegrenzungsschaltung 42, der Ladungspumpe 38 und des Spannungsreglers
40 gezeigt sind. Dabei sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Aufbau der jeweiligen
Schaltungseinheiten lediglich als Beispiel angegeben ist. Auf den jeweiligen Aufbau
kommt es für die Erfindung nicht an. Entscheidend für die Erfindung sind lediglich
die Funktion der einzelnen Schaltungseinheiten und ihr Zusammenwirken mit den anderen
Schaltungseinheiten.
[0024] Der Serienstromregler 34 ist gemäß Figur 3 ein einfacher Serienregler, der den durch
den Transistor T fließenden Strom auf einen konstanten, über den Operationsverstärker
OP mittels des Steuersignals am Eingang 25 einstellbaren Wert hält. Der im Stromregler
34 zwischen Emitter und Kollektor des Transistors T liegende Widerstand R hat dabei
den Zweck, das Anlaufen der Schaltung zu ermöglichen. Über diesen Widerstand R kann
auch bei gesperrtem Transistor T ein geringer Strom fließen, der als Anlaufstrom für
die Schaltung genügt. Die Spannungsbegrenzungsschaltung 42 ist im einfachsten Fall
lediglich eine Zenerdiode, die die am Ausgang des Stromreglers 34 auftretende Spannung
auf einen konstanten Wert begrenzt. Die Ladungspumpe kann je nach ihrem Aufbau nahezu
beliebige Spannungs- und Stromübersetzungen erzielen. Die gezeigte Schaltung der Ladungspumpe
ist nur ein Beispiel; der Aufbau und die Funktion solcher Ladungspumpen ist dem Fachmann
bekannt und läßt sich aus zahlreichen Literaturstellen entnehmen. Auch die Spannungsreglerschaltung
40 ist im einfachsten Fall lediglich eine Zenerdiode, die den Wert der Ausgangsspannung
U
Out konstant hält.
[0025] Wenn der Serienstromregler 34 so aufgebaut ist, daß er ohne eigene Versorgungsspannung
nicht arbeitet, müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, damit der Stromregler
seinen Betrieb aufnehmen kann und einen Strom an die Ladungspumpe 38 liefern kann.
In Figur 4 ist in einem Blockschaltbild dargestellt, wie in einem solchen Fall die
Schaltung in Betrieb gesetzt werden kann. Diese Schaltung enthält einen Stromregler
44, der ohne eigene Betriebsspannung zunächst gesperrt ist, also keinen Strom an die
Ladungspumpe 38 abgeben kann. Wie aus Figur 4 zu erkennen ist, ist der Serienstromregler
44 durch einen Spannungsregler 46 überbrückt, der bei der Inbetriebnahme der Schaltung
eine Spannung U
V1 erzeugt, die als Versorgungsspannung für die Ladungspumpe 38 wirkt, so daß diese
dann an ihrem Ausgang eine Spannung U
Out = U
Out1 liefern kann. Es muß dafür gesorgt werden, daß diese Spannung ausreicht, den Serienstromregler
44 in Betrieb zu setzen. Sobald der Serienstromregler 44 in Betrieb geht, gibt er
einen größeren Strom ab, so daß dementsprechend die Spannung U
V1 ansteigt, bis die Begrenzungswirkung der Spannungsbegrenzungsschaltung 42 einsetzt.
Die Spannung U
V1 hat dann den Wert U
V. Der Spannungsregler 46 ist so ausgelegt, daß er dann, wenn am Ausgang des Serienstromreglers
44 der Spannungswert U
V erreicht wird, nicht mehr wirksam ist, sondern in einen gesperrten Zustand übergeht,
in dem er den Stromregler 44 nicht mehr überbrückt.
[0026] In Figur 5 ist ein genaueres Schaltbild gezeigt, das erkennen läßt, wie die einzelnen
Bestandteile der Schaltung von Figur 4 aufgebaut sein können. Dabei ist zu erkennen,
daß der Serienstromregler 44 bis auf einen noch erläuterten Unterschied, die Spannungsbegrenzungsschaltung
42, die Ladungspumpe 38 und die Spannungsreglerschaltung 40 ebenso wie in der Schaltung
von Figur 3 aufgebaut sind. Es ist lediglich der Spannungsregler 46 hinzugekommen,
der, wie das Schaltbild zeigt, als Serienspannungsregler aufgebaut ist. Im Serienstromregler
44 ist der Transistor T nicht wie beim Serienstromregler 34 durch einen Widerstand
überbrückt. Dieser Widerstand ist in diesem Fall nicht erforderlich, da hier der Spannungsregler
46 das Anlaufen der Schaltung ermöglicht.
[0027] In den beschriebenen Ausführungsbeispielen werden sowohl die Eingangsspannung als
auch die Ausgangsspannung der Ladungspumpe 38 konstant gehalten. Eingangsseitig wird
dazu die erwähnte Spannungsbegrenzungsschaltung 42 verwendet, die nichts anderes als
ein Parallelregler ist. Auch die ausgangsseitig verwendete Schaltung zum Konstanthalten
der Ausgangsspannung der Ladungspumpe 38 ist ein Parallelregler. Es ist aber auch
möglich, auf das Konstanthalten der Eingangsspannung der Ladungspumpe 38 zu verzichten,
was lediglich erfordert, eine Ladungspumpe zu verwenden, die mit größeren Eingangsspannungen
bzw. Eingangsströmen arbeiten kann. Beim Konstanthalten der Eingangsspannung der Ladungspumpe
kann auf ein Konstanthalten der Ausgangsspannung der Ladungspumpe verzichtet werden,
falls eine Lastabhängigkeit der Ausgangsspannung toleriert werden kann. Bei Verwendung
von zwei Spannungsreglern am Eingang und am Ausgang der Ladungspumpe 38 ist es möglich,
einen der beiden Regler als Längsregler auszubilden. Die angestrebte Wirkung der gesamten
Schaltungsanordnung bleibt dadurch unberührt. Die in den Figuren 3 und 5 dargestellte
Ladungspumpe hat einen Spannungsübertragungsfaktor von 1/2, was bedeutet, daß sie
eine Halbierung der Spannung und eine Verdoppelung des Stroms bewirkt. Natürlich können
auch Ladungspumpen mit anderen Spannungsübertragungsfaktoren eingesetzt werden, falls
andere Spannungs- und Stromverhältnisse gewünscht werden. Bei der hier beschriebenen
Anordnung wird jedoch in jedem Fall ein Übertragungsfaktor < 1 verwendet, da damit
ein erhöhter Strom am Ausgang der Ladungspumpe zur Verfügung gestellt werden kann.
[0028] Die in den Figuren 2 bis 5 in zwei Ausführungsformen dargestellten Schaltungen haben
den Vorteil, daß sie als integrierte Schaltungen aufgebaut werden können und daß sie
in äußerst flexibler Weise ermöglichen, die verschiedenen Ströme und Spannungen zu
liefern, die in der Sendestation für den Betrieb des jeweiligen Sensors und der dessen
Ausgangssignal empfangenden Verarbeitungsschaltung benötigt werden. Diese hervorragende
Integrierbarkeit aller Ausführungsvarianten ist vor allem darauf zurückzuführen, daß
in den Schaltungen keine Induktivitäten, sondern im wesentlichen nur gut integrierbare
Kondensatoren (< 1nF) zum Einsatz kommen.
1. Anordnung zur Signalübertragung zwischen einer Empfangsstation (10) und einer Sendestation
(12) sowie zur Stromversorgung der Sendestation (12), wobei diese beiden Stationen
miteinander durch eine Zweidrahtleitung (14) verbunden sind, über die ein zwischen
zwei Grenzwerten veränderlicher analoger Signalstrom übertragen wird, der einen in
der Sendestation (12) von einem Sensor (20) erfaßten Meßwert repräsentiert und den
für den Betrieb der Sendestation erforderlichen Versorgungsstrom bildet, wobei die
Sendestation eine Schaltung (24) aufweist, die eine konstante Betriebsspannung für
die Sendestation (12) erzeugt, und wobei in der Sendestation (12) eine steuerbare
Stromquelle (34) vorgesehen ist, die den über die Zweidrahtleitung (14) fließenden
Strom in Abhängigkeit von dem Meßwert bestimmt und die aus einer Versorgungsspannungsquelle
in der Empfangsstation gespeist wird, wobei die Stromquelle (34) ein Serienstromregler
ist, der aus der Versorgungsspannungsquelle (18) in der Empfangsstation (10) gespeist
wird, mit dem Ausgang der Stromquelle (34) eine Ladungspumpe (38) verbunden ist, die
aus der am Ausgang der Stromquelle (34) auftretenden Spannung die für den Betrieb
des Sensors (20) und einer mit diesem verbundenen Signalverarbeitungsschaltung (22)
erforderliche Betriebsspannung erzeugt, und mit dem Eingang oder dem Ausgang der Ladungspumpe
38 ein Parallelregler (40, 42) zum Konstanthalten der Eingangsspannung bzw. der Ausgangsspannung
der Ladungspumpe (38) verbunden ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher zusätzlich zu dem Parallelregler am Eingang
oder am Ausgang der Ladungspumpe (38) auf der jeweils anderen Seite der Ladungspumpe
(38) ein weiterer Parallelregler vorgesehen ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher zusätzlich zu dem Parallelregler am Eingang
oder am Ausgang der Ladungspumpe (38) auf der jeweils anderen Seite der Ladungspumpe
ein Längsregler vorgesehen ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welcher die Stromquelle (44) durch einen
Spannungsregler (46) überbrückt ist, der in einer Anlaufphase eine Eingangsspannung
(UV1) für die Ladungspumpe (38) liefert, wobei die Stromquelle (44) so ausgebildet ist,
daß sie in der Anlaufphase erst dann einen Ausgangsstrom liefert, wenn die Ladungspumpe
(38) eine für seinen Betrieb ausreichende Ausgangsspannung abgibt, wobei der Spannungsregler
(46) so ausgelegt ist, daß er in einen gesperrten Zustand übergeht, sobald die Ausgangsspannung
(UOut) die Betriebsspannung erreicht.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Ladungspumpe (38)
einen Übertragungsfaktor < 1 hat.