DE10297504T5

DE10297504T5 - Schnittstellenschaltung für 4-20 MA

Info

Publication number: DE10297504T5
Application number: DE10297504T
Authority: DE
Inventors: Michael LÖCHNER
Original assignee: Invensys Systems Inc
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2004-11-25
Also published as: AU2002360438A8; WO2003048874A3; AU2002360438A1; WO2003048874A2; US20050007077A1; US7211990B2

Abstract

Schaltung, die folgendes aufweist:
eine Schnittstelle mit zwei Drähten, die zum Eingeben eines niederfrequenten ersten Stroms und eines hochfrequenten zweiten Stroms betreibbar ist; eine erste Impedanz, die dem ersten Strom präsentiert wird;
eine zweite Impedanz, die dem zweiten Strom präsentiert wird;
eine DC-Versorgungsschaltung in Reihe zu der zweiten Impedanz geschaltet, um dadurch eine Reihenschaltung zu bilden; und
eine Stromumleitungsschaltung parallel zu der Reihenschaltung geschaltet und betreibbar zum Umleiten eines Teils des ersten Stroms um die Reihenschaltung.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft industrielle Steuersysteme.
HINTERGRUND
Herkömmliche industrielle Steuersysteme lassen eine Steuerung von Fernfeldvorrichtungen, wie beispielsweise eine Ventilpositioniersteuerung in einem Fluidfluss, zu. Beispielsweise kann eine solche Feldvorrichtung eine Position des Ventils im Bereich von "geschlossen" zu "offen" (d. h. 0–100%) basierend auf einem zum Positionierer gelieferten Stromwert im Bereich von beispielsweise 4–20 mA einstellen. In solchen Systemen kann die Ventilposition in direkter Beziehung zum Strom variieren, wobei es bei 4 mA vollständig geschlossen und bei 20 mA vollständig geöffnet wird. Der Strom kann von einem Steuersystem über eine Schnittstelle mit zwei Drähten gesendet und bei einer Schnittstellenschaltung bei der Feldvorrichtung empfangen werden, die das analoge Stromsignal in ein digitales Signal umwandelt, welches dann durch einen Prozessor analysiert wird und angelegt wird, um die Ventilposition einzustellen, wie es gerade beschrieben ist.
Das Steuersystem ist oft von der Feldvorrichtung entfernt und nur über die Schnittstelle mit zwei Drähten angeschlossen. Daher führen herkömmliche industrielle Steuersysteme oft Leistung über dieselbe Schnittstelle mit zwei Drähten zur Feldvorrichtung zu. Die verfügbare Leistung kann beispielsweise ein Stromwert des Steuerstroms von 4–20 mA, multipliziert mit der Schleifen-Eingangsspannung am Eingang der Feldvorrichtung sein.
Zusätzlich zum analogen Steuersignal von 4–20 mA erlangen herkömmliche industrielle Steuersysteme eine zusätzliche Steuerung über die Feldvorrichtung durch Addieren eines digitalen Kommunikationssignals zu dem analogen Steuersignal, das bereits an der Schnittstelle mit zwei Drähten vorhanden ist. Das digitale Kommunikationssignal kann dazu verwendet werden, sekundäre Variablen und andere Daten zu überwachen, die für Aufgaben verwendet werden können, die Operationen, ein Beauftragen, eine Wartung und Diagnosezwecke enthalten.
Insbesondere kann ein digitales Kommunikationssignal beispielsweise zu dem Steuersignal von 4–20 mA unter Verwendung des Protokolls für einen über einen Adressbus adressbierbaren entfernten Wandler ("HART" = Highway Adressable Remote Transducer) addiert werden. Das HART-Protokoll verwendet eine Frequenzumtastungs-("FSK" = Frequency-Shift Key)-Modulationstechnik. Vorteilhafterweise ist das HART-Protokoll in der Umgebung niedriger Leistung funktionsfähig, die durch die Verwendung des Steuersignals von 4–20 mA für eine Leistung zur Verfügung gestellt wird (was in einer verfügbaren Leistung im mW-Bereich resultiert), und ist sonst mit existierenden industriellen Steuersystemen kompatibel (und daher auf einfache Weise zu diesen nachrüstbar).
Somit können herkömmliche industrielle Steuersysteme ein analoges Steuersignal von 4–20 mA, ein digitales Kommunikationssignal und elektrische Leistung zu einer Fernfeldvorrichtung liefern, und zwar alle über eine Schnittstelle mit zwei Drähten. Konkurrierende Anforderungen von diesen drei Signalen zusammen mit Charakteristiken von herkömmlichen industriellen Prozesssteuerungseinstellungen können zu verschiedenen Herausforderungen beim Implementieren von robusten industriellen Steuersystemen führen.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einem allgemeinen Aspekt enthält eine Schaltung eine Schnittstelle mit zwei Drähten, die zum Eingeben eines niederfrequenten ersten Stroms und eines hochfrequenten zweiten Stroms betreibbar ist, eine erste Impedanz, die dem ersten Strom präsentiert wird, eine zweite Impedanz, die dem zweiten Strom präsentiert wird, eine DC-Versorgungsschaltung, die in Reihe zur zweiten Impedanz geschaltet ist, um dadurch eine Reihenschaltung zu bilden, und eine Stromumleitungsschaltung, die parallel zur Reihenschaltung ist und zum Umleiten eines Teils des ersten Stroms um die Reihenschaltung betreibbar ist.
Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten. Beispielsweise kann die erste Impedanz ein Erfassungswiderstand sein, der zum Senden bzw. Übertragen des ersten Stroms betreibbar ist, so dass eine Vorrichtungsvariable einer Vorrichtung extern zu der Schaltung gemäß einer Erfassungsspannung bzw. Lesespannung über dem Erfassungswiderstand und proportional zum ersten Strom eingestellt wird.
Die erste Impedanz kann in Reihe zur Parallelschaltung aus der Stromumleitungsschaltung und der Reihenschaltung sein. Die erste Impedanz kann zusätzlich zum zweiten Strom präsentiert sein. Die zweite Impedanz kann ein passives Widerstandselement enthalten. Die DC-Versorgungsschaltung kann ein DC/DC-Wandler sein, der zum Antreiben eines Stroms vorwärts und rückwärts dort hindurch betreibbar ist.
Der Teil des ersten Stroms kann basierend auf einer Differenz zwischen einer Größe des ersten Stroms und einem Ausmaß an Antriebssutrom, der zum Antreiben einer Lastvorrichtung erforderlich ist, bestimmt werden. Die Stromumleitungsschaltung kann betreibbar sein, um bei der Schnittstelle mit zwei Drähten eine stabile DC-Spannung zu halten.
Der Teil des ersten Stroms kann basierend auf einer Größe des ersten Stroms bestimmt werden, um dadurch eine vorbestimmte Beziehung zwischen einem Ausgangsstrom der Schaltung und dem ersten Strom zu bilden. Bei dieser Implementierung kann die Größe bzw. Amplitude des ersten Stroms bei der ersten Impedanz gemessen werden. Eine bei der Schnittstelle mit zwei Drähten gemessene Eingangsspannung kann sich mit einem Erniedrigen des ersten Stroms erhöhen. Weiterhin kann die Schaltung bei der Schnittstelle mit zwei Drähten eine negative Impedanz präsentieren und kann der Teil des Stroms durch die DC-Versorgungsschaltung getrieben und durch die Schnittstelle mit zwei Drähten ausgegeben werden.
Der erste Strom kann eine Frequenz von unter etwa 500 Hz haben. Der zweite Strom kann dem ersten Strom überlagert sein und trägt ein digitales Kommunikationssignal.
Gemäß einem weiteren allgemeinen Aspekt kann eine Schaltung einen Widerstand enthalten, der zum Bestimmen einer Impedanz betreibbar ist, die von einem Schaltungseingangsstrom gesehen wird, wenn der Schaltungseingangsstrom oberhalb einer bestimmten Frequenz ist, einen DC-DC-Wandler in Reihe zu dem Widerstand, um dadurch eine Reihenschaltung aus dem Widerstand und dem DC-DC-Wandler zu bilden, und eine Umleitungsschaltung parallel zu der Reihenschaltung, wobei die Umleitungsschaltung zum Führen eines Teils des Schaltungseingangsstroms um die Reihenschaltung betreibbar ist, wenn der Schaltungseingangsstrom unterhalb der bestimmten Frequenz ist.
Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten. Beispielsweise kann der Widerstand ein passives Element enthalten, wie beispielsweise einen Widerstand bzw. Resistor. Der DC-DC-Wandler kann weiterhin zum Eingeben einer ersten Spannung und zum Ausgeben einer zweiten Spannung, die kleiner als die erste Spannung ist, betreibbar sein.
Die Umleitungsschaltung kann weiterhin zum Ziehen eines übermäßigen Stroms, der einen vorbestimmten Pegel bezüglich der Größe übersteigt, und zum Zurückführen des Stroms weg von dem Schaltungsausgang betreibbar sein. Bei dieser Implementierung kann die Umleitungsschaltung den übermäßigen Strom zur Erdung umleiten.
Alternativ dazu kann die Umleitungsschaltung den übermäßigen Strom in einen Ausgang des DC-DC-Wandlers zurückführen bzw. umleiten und dadurch einen Spannungsabfall entlang einer Schleife aus zwei Drähten kompensieren, die den Schaltungseingangsstrom zur Schaltung trägt. In diesem Fall kann der übermäßige Strom aus dem Eingang des DC-DC-Wandlers austreten, den Widerstand durchlaufen und von der Schaltung ausgegeben werden, um dadurch eine negative Impedanz zum Schaltungseingangsstrom zu präsentieren, wenn der Schaltungseingangsstrom unter der bestimmten Frequenz ist.
Der DC-DC-Wandler kann weiterhin zum Führen eines Stroms von einem Eingang des DC-DC-Wandlers zu einem Ausgang des DC-DC-Wandlers betreibbar sein, und zum Führen eines Stroms vom Ausgang zum Eingang. Der Teil des Schaltungseingangsstroms kann zur Erdung nebengeschlossen sein, und eine Eingangsspannung zu der Schaltung kann auf einem stabilen Wert gehalten werden.
Der Teil des Schaltungseingangsstroms kann zum Antreiben einer Vorrichtung verwendet werden, die extern zur Schaltung ist.
Die Schaltung kann auch einen Erfassungswiderstand enthalten, der zum Eingeben des Schaltungseingangsstroms betreibbar ist, wodurch eine Lesespannung, die proportional zu dem Schaltungseingangsstrom ist und über dem Erfassungswiderstand abgenommen wird, zum Einstellen einer Vorrichtungsvariablen für eine Vorrichtung extern zur Schaltung verwendet werden kann. In diesem Fall kann die Lesespannung weiterhin eine Eingangsspannung zu der Schaltung bestimmen, so dass sich die Eingangsspannung mit einem Erhöhen bezüglich des Schaltungseingangsstroms erniedrigt. Weiterhin kann ein durch. die Umleitungsschaltung ausgegebener und durch die Vorrichtung nicht erforderter Rückwärtsstrom von der Schaltung über den DC/DC-Wandler und den Widerstand ausgegeben werden, um dadurch eine negative Impedanz zu dem Schaltungseingangsstrom zu präsentieren, wenn der Schaltungseingangsstrom unter der bestimmten Frequenz ist.
Gemäß einem weiteren allgemeinen Aspekt kann eine Schaltung eine erste Impedanz, eine zweite Impedanz, einen DC/DC-Wandler, der in Reihe zu der zweiten Impedanz ist und eine Reihenschaltung bildet, und eine Stromumleitungsschaltung die parallel zu der Reihenschaltung ist und zum Präsentieren der ersten Impedanz zu einem niederfrequenten ersten Strom von 4–20 mA betreibbar ist und weiterhin betreibbar ist zum Präsentieren der zweiten Impedanz zu einem hochfrequenten zweiten Strom, wobei der zweite Strom ein digitales Kommunikationssignal trägt und dem ersten Strom überlagert ist, enthalten.
Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten. Beispielsweise kann die erste Impedanz einen Erfassungswiderstand enthalten. Die Stromumleitungsschaltung kann sowohl die erste Impedanz als auch die zweite Impedanz zum zweiten Strom präsentieren.
Die erste Impedanz kann resultierend aus einem Rückwärtsstrom, der von der Stromumleitungsschaltung durch den DC/DC-Wandler und die zweite Impedanz getrieben wird, eine negative Impedanz enthalten. In diesem Fall kann eine Größe des Rückwärtsstroms auf einer Spannung über einem Erfassungs- bzw. Lesewiderstand basieren, wobei die Spannung proportional zum ersten Strom ist.
Ein Teil des ersten Stroms kann zum Versorgen einer Vorrichtung extern zur Schaltung mit Leistung verwendet werden. In diesem Fall kann ein Teil des ersten Stroms, der zum Versorgen der Vorrichtung mit Leistung nicht erforderlich ist, durch die Stromumleitungsschaltung zur Erdung nebengeschlossen werden, um dadurch eine Schaltungseingangsspannung auf einem stabilen Wert zu halten.
Die Details von einer oder mehreren Implementierungen sind in den beigefügten Zeichnungen und der Beschreibung, die nachfolgen, aufgezeigt. Andere Merkmale werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen und aus den Ansprüchen offensichtlich werden.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines industriellen Steuersystems.
2 ist ein Schaltungsdiagramm einer ersten Schnittstellenschaltung.
3A und 3B sind Kurven für eine Impedanz über eine Frequenz für die Schaltungen der 2 und 4.
4 ist ein Schaltungsdiagramm einer Implementierung der Schnittstellenschaltung der 2.
5 ist ein Schaltungsdiagramm einer zweiten Schnittstellenschaltung.
6 ist eine Kurve für eine Impedanz über eine Frequenz für die Schaltungen der 5 und 7.
7 ist ein Schaltungsdiagramm einer Implementierung der Schnittstellenschaltung der 5.
8A und 8B sind Kurven für eine Impedanz über eine Frequenz für die Schaltung der 7.
9 ist ein Schaltungsdiagramm einer dritten Schnittstellenschaltung.
10 ist eine Kurve für eine Impedanz über eine Frequenz für die Schaltungen der 9 und 12.
11 ist eine Kurve für eine Spannung über einen Strom für die Schaltungen der 9 und 12.
12 ist ein Schaltungsdiagramm einer Implementierung der Schnittstellenschaltung der 9.
13A und 13B sind Kurven für eine Impedanz über eine Frequenz für die Schaltung der 12.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 ist ein Blockdiagramm eines industriellen Steuersystems 100. In 1 modifiziert eine Steuerung 102 einen durch eine Stromquelle 104 ausgegebenen Strom von 4–20 mA basierend auf einer Eingabe von einem externen System und durch eine Spannungsquelle 106 mit Leistung versorgt, die beispielsweise eine Spannungsquelle von 24 V sein kann.
Die Steuerung 102 gibt einen bestimmten eingestellten Wert "w" im Bereich von 4–20 mA über eine Schnittstelle 108 mit zwei Drähten aus. Der eingestellte Wert w wird bei einer Feldvorrichtung 110, wie beispielsweise einem Ventilpositionierer, empfangen. Natürlich könnte die Feldvorrichtung irgendeine einer Anzahl von Feldvorrichtungen sein, die kompatibel zu den hierin beschriebenen Techniken sind, wie beispielsweise Feldvorrichtungen, die eine externe Temperatur, einen Fluid- bzw. Flüssigkeitspegel oder eine andere Prozessvariable steuern.
Der Ventilpositionierer 110 gibt einen Druck P_y zu einem pneumatischen Stellglied 112 aus, welches wiederum eine Position eines Ventils 114 in einem Bereich von "vollständig geschlossen" zu "vollständig offen" einstellt. Genauer gesagt empfängt die Feldvorrichtung 110 den eingestellten Wert w über die Schnittstelle 108 mit zwei Drähten und wird vor irgendwelchen übermäßigen Spannungsschwankungen durch die Kombination von beispielsweise einem Widerstand 116 und einer Zenerdiode 118 geschützt.
Eine Schnittstellenschaltung 120 empfängt den durch den eingestellten Wert w definierten eingestellten Wert von der Steuerung 102 und leitet, wie es nachfolgend detaillierter diskutiert ist, den eingestellten Wert w weiter zu einem Prozessor 122. Der Prozessor 122 digitalisiert das Signal und leitet das digitalisierte Signal zu einem Strom/Druck-Wandler 124 weiter, der einen entsprechenden Druck P_s zu einem Druckverstärkersystem 126 ausgibt. Der Druckverstärker 126 verstärkt den Druck P_s zu einem größeren Druck P_y und gibt P_y zu dem pneumatischen Stellglied 112 aus.
Ein Positionswandler 128, wie beispielsweise ein Potentiometer, erfasst den aktuellen Wert der Ventilposition und führt diesen Wert für irgendwelche nötigen Einstellungen zum Prozessor 122 zu. Der Prozessor 122 vergleicht den aktuellen Wert mit dem eingestellten Wert w und führt irgendwelche nötigen Einstellungen unter Verwendung irgendeiner Anzahl von Rückkoppeltechniken durch.
Eine Kommunikationseinheit 130 ist an die Schnittstelle 108 mit zwei Drähten angeschlossen und lässt zu, dass ein Anwender einen Betrieb der Feldvorrichtung 110 überwacht und/oder steuert. Die Kommunikationseinheit 130 enthält eine Anzeige 132 und eine Eingabeeinrichtung, wie beispielsweise Tasten 134.
Wie es oben erklärt ist, können digitale Kommunikationen über die Schnittstelle 108 mit zwei Drähten gleichzeitig mit dem Steuersignal von 4–20 mA übertragen werden. Solche Kommunikationen können durch irgendeine der Steuerung 102, der Feldvorrichtung 110 und der Kommunikationseinheit 130 gesendet/empfangen werden. Wie es oben beschrieben ist, wird der Strom von 4–20 mA durch eine Schleifeneingangsspannung bei dem Treffen von der Schnittstelle mit zwei Drähten mit der Schnittstellenschaltung 120 der Feldvorrichtung 110 multipliziert und liefert elektrische Leistung bzw. Energie zu der Feldvorrichtung, um dadurch beispielsweise den Wandler 124 und den Prozessor 122 mit Leistung zu versorgen.
In 1 sind verschiedene Elemente, die in Zusammenhang mit der Feldvorrichtung 110 verwendet werden können, der Klarheit halber nicht gezeigt. Beispielsweise kann ein Modem, wie beispielsweise ein HART-Modem, zum Vermitteln der hochfrequenten digitalen Kommunikationen zwischen der Schnittstellenschaltung 120 und dem Prozessor 122 verwendet werden. Als weiteres Beispiel kann ein Anzeigeelement, wie beispielsweise ein Feld von Licht emittierenden Dioden ("LED") bei der Feldvorrichtung 110 verwendet werden, um einen Anwender mit Information über einen Betriebszustand der Feldvorrichtung 110 zu versorgen.
Beim Implementieren von Systemen, wie beispielsweise ein System 100, sind zu berücksichtigende Punkte Impedanzcharakteristik(en) des Systems und die Leistungscharakteristiken) des Systems, sowie ihre Überlagerungseffekte übereinander. Beispielsweise sollte der Strom von 4–20 mA, der im Wesentlichen ein DC-Strom bzw. Gleichstrom ist, bei der Schnittstellenschaltung 120 der Feldvorrichtung 110 eine sehr niedrige Impedanz oder eine Impedanz von Null sehen. Dies ist aufgrund der Tatsache so, dass die Feldvorrichtung 110 genügend Leistung verfügbar haben sollte, um wenigstens das Stellglied 112 und den Prozessor 122 zu betreiben, und zwar selbst bei der Einstellung eines niedrigsten Stroms von 4 mA. Andererseits wird es Zeiten geben, zu welchen der für die Feldvorrichtung 110 verfügbare Strom größer als 4 mA sein wird (da der Strom bis zu 20 mA reichen kann), was in einer übermäßigen DC-Anschlussspannung und der Möglichkeit von übermäßiger Wärme und/oder Kurzschlüssen resultieren kann.
Zum Erfüllen von beiden dieser Bedingungen sollte die Feldvorrichtung 110 allgemein eine sehr niedrige Impedanz zu dem niederfrequenten DC-Strom präsentieren. Selbst dann kann eine zusätzliche Spannungssteuerung nötig sein, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des Systems 100 zur Verfügung zu stellen, wie es nachfolgend diskutiert ist.
Gegensätzlich zu der Impedanzanforderung bei niedrigen Frequenzen erfordern Hochfrequenzsignale, die die digitalen Kommunikationen von beispielsweise der Kommunikationseinheit 130 tragen, eine relativ hohe Impedanz. Darüber hinaus sollte diese Kommunikationsimpedanz im Wesentlichen flach über dem Kommunikations-Frequenzband sein, um eine Verzerrung von mehreren Frequenzkomponenten zu vermeiden, die innerhalb des digitalen Kommunikationssignals enthalten sind. Das Kommunikations-Frequenzband kann beispielsweise 500 Hz–5 kHz oder 500 Hz–10 kHz sein.
2 ist ein Schaltungsdiagramm einer Schnittstellenschaltung 200 entsprechend der Schnittstellenschaltung 120. Ein spezifisches Beispiel einer Implementierung der Schaltung 200 ist detaillierter in der US-Patentanmeldung 09/496,667 beschrieben, die hierdurch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme enthalten ist. 2 ist eine Zusammenfassung oder eine vereinfachte Darstellung einer solchen Schaltung, die viel der oben beschriebenen Funktionalität in Bezug auf die Schnittstellenschaltung 120 implementieren könnte.
In 2 hat eine Schnittstellenschaltung 200 eine Eingangsspannung U_i über positiven und negativen Anschlüssen 202 bzw. 204 Zenerdioden 206 und 208 implizieren eine Spannungsregelung, die einen Teil der Eingangsspannung U_i nimmt und diesen Teil als Ausgangsspannung U₀ ausgibt, welche zur Leistungsversorgung einer Schaltung verwendet wird, die den Prozessor 122 und das Stellglied 112 enthält. Eine übermäßige Ausgangsspannung wird zur Erdung geführt, wie es gezeigt ist. Die Zenerdioden 206 und 208 stellen somit eine Leistungsversorgungs-(und -regelungs-)schaltung 210 dar.
In Reihe zu dieser Leistungsversorgungsschaltung 210 ist eine Impedanz-Steuerschaltung 212 geschaltet, die eine Induktanz 214, einen Widerstand R_k 216 und einen Lesewiderstand bzw. Erfassungswiderstand R_s 218 enthält. Die Induktanz 214 kann eher die elektrische Charakteristik einer Induktanz implizieren, als ein literales Enthalten einer Induktanzspule. Der Widerstand R_k 216 kann die Kommunikationsimpedanz implizieren, die digitalen Kommunikationen präsentiert wird, die bei der Schaltung 200 empfangen werden, und kann beispielsweise in der Größenordnung von 200 Ohm–1 kOhm sein. Der Lesewiderstand R_s sollte relativ niedrig sein, und zwar in der Größenordnung von beispielsweise 10–50 Ohm.
Der Lesewiderstand R_s ist in Reihe zu der Parallelschaltung aus Induktanz 214 und Widerstand R_k enthalten, wie es gezeigt ist. Der Lesewiderstand 218 liefert eine Spannungsmessung proportional zum empfangenen Strom und lässt dadurch eine Messung des Stroms zu. Demgemäß wird ein Strom über den negativen Anschluss zu beispielsweise einem Analog/Digital-Wandler ("ADC") (nicht gezeigt) zur Umwandlung eines Stromwerts des Signals von 4–20 mA in einen digitalen Wert zur Verwendung durch den Prozessor 122 übertragen. Gleichermaßen können Hochfrequenzkomponenten des Stroms durch beispielsweise ein HART-Modem erfasst werden, welches, wie es oben angegeben ist, solche Signale zum Senden/Empfangen von digitalen Kommunikationen in Zusammenhang mit dem Prozessor 122 modulieren/demodulieren kann.
Die 3A und 3B sind Kurven für eine Impedanz über eine Frequenz für die Schaltungen der 2 und 4. In 3A ist, wie es gezeigt ist, eine Impedanz der Leistungsversorgungsschaltung 210 im Wesentlichen bei allen Frequenzbereichen Null. In 3B wird ein DC-Teil eines bei den Anschlüssen 202 und 204 empfangenen Stroms einen Kurzschluss in Bezug auf die Induktanz 214 sehen und wird den Widerstand R_k 216 vollständig umgehen, wobei nur R_s 218 als Widerstand gesehen wird. Gegensätzlich dazu wird ein AC-Signal mit einer ausreichend hohen Frequenz damit beginnen, einen Teil des Widerstands R_k 216 in Reihe zu R_s 218 zu sehen, bis bei ausreichend hohen Frequenzen R_k kombiniert mit R_s der Widerstand ist, der durch das digitale Kommunikationssignal gesehen wird. R_k + R_s stellt somit eine flache Impedanz für einen ausreichend weiten Frequenzbereich (z. B. 500 Hz – 5 kHz) zur Verfügung.
4 ist ein Schaltungsdiagramm einer Implementierung 400 der Schnittstellenschaltung 200 der 2. In 4 enthält eine Schaltung 400 eine Leistungsversorgungsschaltung 402, eine DC-Ausgangsspannungs-Steuerschaltung 404 und eine Impedanz-Steuerschaltung 406. Die Leistungsversorgungsschaltung 402 enthält einen DC/DC-Wandler 408, der eine Schleifen-Eingangsspannung über den Anschlüssen 202 und 204 eingibt und eine Spannung U₀ ausgibt, die ein Teil der Eingangsspannung ist.
Ein Beispiel für einen solchen DC/DC-Wandler 408 ist in dem gemeinsam zessionierten Patent 6,064,583 diskutiert, das hierdurch durch Bezugnahme enthalten ist. Wie es darin beschrieben ist, hat ein solcher DC/DC-Wandler eine Beziehung zwischen einer Eingangsspannung U_i und einer Ausgangsspannung U₀, so dass (n × U₀) = U_i; z. B. wäre für eine Eingabe von 9 V eine Ausgabe für n = 3 3 V. Der Wert "n" kann durch einen Anwender für eine bestimmte Anwendung basierend auf verfügbaren Eingangsspannungen und DC/DC-Wandlern bestimmt werden. Zusätzlich hat ein solcher DC/DC-Wandler 408 die Charakteristik eines bidirektionalen Stromflusses; d. h. ein Strom kann von einem Eingang zu einem Ausgang DC/DC-Wandlers fließen oder kann von dem Ausgang zum Eingang des DC/DC-Wandlers fließen. Andere DC/DC-Wandler mit gleichen bzw. ähnlichen Charakteristiken könnten auch verwendet werden.
Die DC-Ausgangsspannungs-Steuerschaltung 404 enthält eine Stromsenke 410, die beispielsweise ein Transistor sein kann. Die DC-Ausgangsspannungs-Steuerschaltung 404 enthält weiterhin einen Widerstand bzw. Resistor 412, einen Widerstand bzw. Resistor 414 und einen Operationsverstärker 416, wie es gezeigt ist. Bei einem Betrieb erfasst die DC-Ausgangsspannungs-Steuerschaltung 404 einen Strom, der höher als der minimale Eingangsstrom 4 mA ist. Wenn dieser übermäßige Strom durch die Lastvorrichtung gefordert wird, um die zugeführte Leistung zu erhöhen, dann wird dementsprechend der übermäßige Strom zur Last (z. B. dem Stellglied 112) zugeführt. Ein übermäßiger Strom, der bei der Last nicht verwendet wird, kann beispielsweise zur Erdung abgeführt werden, um die Ausgangsspannung U₀ auf einem vorbestimmten (sicheren) Pegel zu halten. Eine solche Stromumleitungsschaltung ist beispielsweise im gemeinsam zessionierten US-Patent Nr. 6,064,582 beschrieben, die hierdurch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme enthalten ist.
Die Impedanz-Steuerschaltung 406 enthält einen Lesewiderstand 218, der für eine Stromerfassung des Signals von 4–20 mA sorgt. Eine Vielzahl von Elementen einschließlich eines Widerstands 418, eines Widerstands 420, eines Widerstands 422, eines Widerstands 424, eines Widerstands 426, eines Widerstands 428, eines Kondensators 430, eines Kondensators 432 und eines Kondensators 434 sind alle angeschlossen, um ein Filter zur Verfügung zu stellen, das dazu betreibbar ist, die Stromschwankungen von Spitze zu Spitze von etwa 1 mA, die über dem Stromsignal von 4–20 mA liegen, die digitale Kommunikationen von beispielsweise der Kommunikationseinheit 130 darstellen, zu erfassen. Wenn solche digitalen Kommunikationen erfasst werden, arbeitet ein Operationsverstärker 436, der durch Spannungen betrieben wird, die beim Widerstand 218 R_s und bei einem Widerstand 438 R_c bestimmt werden, zum Bestimmen einer Impedanz, die durch die Schaltung 400 gesehen wird.
Genauer gesagt kann eine AC-Impedanz Z der Schaltung 400 in Bezug auf eine erste Impedanz Z₁ = Rg = [R_d = R_g = [R_d||(R_e + 1 (jwC_a))] und eine zweite Impedanz Z₂ = R_j + 1/(jwC_b) ausgedrückt werden, so dass Z = R_s/[1 –[Z₁/(Z₁ + Z₂)] * (R_g + R_h)/Rg + R_s/(Z₁ + Z₂)] , wobei R_g der Widerstand 424 ist, R_d der Widerstand 418 ist, R_e der Widerstand 420 ist, C_a der Kondensator 430 ist, R_j der Widerstand 428 ist. C_b der Kondensator 432 ist, R_h der Widerstand 426 ist und j die mathematische Konstante √ –1 darstellt. Somit kann ein Wert von Z durch Auswählen von Widerstands- und Kondensatorwerten entwickelt werden, um einen Wert von Z relativ zu R_s zu bestimmen.
5 ist ein Schaltungsdiagramm einer Schnittstellenschaltung 500. In 5 definieren Anschlüsse 502 und 504 eine Eingangsspannung U_i. Eine Impedanz-Steuerschaltung 506 ist in Reihe zu einer Leistungsversorgungsschaltung 508 geschaltet.
In der Impedanz-Steuerschaltung 506 ist ein Widerstand R_i 510 in Reihe zu einer Spannungs-Steuervorrichtung, wie beispielsweise einer Zenerdiode 514, geschaltet, von welchem beide parallel zu einer Induktanz 512 geschaltet sind. Die Leistungsversorgungsschaltung 508 ist als zweite Spannungs-Regelvorrichtung, wie beispielsweise eine Zenerdiode 516, modelliert gezeigt, die eine Ausgangsspannung U₀ definiert, in Reihe geschaltet zu einem Lesewiderstand R_s 518.
6 ist eine Kurve für eine Impedanz über einer Frequenz für die Schaltungen der 5 und 7. 6 zeigt, dass eine Impedanz, die durch ein DC- oder ein Niederfrequenzsignal gesehen wird, der relativ niedrige Lesewiderstand von dem Widerstand R_s ist, und zwar bis zu irgendeiner vorbestimmten Grenzfrequenz f1. Bei der Frequenz f1 beginnt die Impedanz sich zu erhöhen, bis sie sich bei einem Wert gleich einem Widerstandswert des Widerstands R_i 510 in Reihe zu (d. h. addiert zu) dem Lesewiderstand R_s (in 6 als R_s + R_i) abflacht. Diese Frequenzkennlinie kann aus einem Untersuchen der Schaltung 500 der 5 verstanden werden. Insbesondere präsentiert die Induktanz 512 einen Kurzschluss zu Niederfrequenzsignalen, der zulässt, dass die Niederfrequenzsignale den Widerstand R_i 510 und die Spannungs-Steuervorrichtung 514 umgehen. Bei hohen Frequenzen präsentiert die Induktanz 512 einen Leerlauf, um dadurch Hochfrequenzkomponenten zu zwingen, die Widerstände R_i 510 und R_s 518 zu durchlaufen.
7 ist ein Schaltungsdiagramm einer Implementierung 700 der Schnittstellenschaltung der 5. In 7 ist eine Leistungsversorgungsschaltung 702 parallel zu einer DC-Eingangsspannungs-Steuerschaltung 704 geschaltet. Die DC-Leistungsversorgungsschaltung 702 enthält einen DC/DC-Wandler 706 sowie einen Eingangswiderstand R_i 510.
Die DC-Eingangsspannungs-Steuerung 704 enthält eine Stromsenke 708 sowie einen Widerstand 710, einen Widerstand 712, einen Kondensator 714, einen Operationsverstärker 716 und einen Widerstand 718. Zusätzlich kann eine DC-Ausgangsspannungs-Steuerschaltung 720 eine Spannungs-Regelvorrichtung, wie beispielsweise eine Zenerdiode 722, enthalten, die zum Schützen gegenüber einer übermäßigen Spannung am Ausgang U₀ dient.
Beim Betrachten der Schaltung 700 der 7 sollte es aus der obigen Diskussion in Bezug auf 5 verstanden werden, dass die Parallelschaltung aus der DC-Eingangsspannungs-Steuerung 704 mit der Leistungsversorgungsschaltung 702 ein Umleiten eines Eingangsstroms von einem Eingang der Leistungsversorgungsschaltung 702 zu einem Ausgang der Schaltung 702 für Niederfrequenzsignale zu lässt, während Hochfrequenzsignale nur den passiven Widerstandswert des Eingangswiderstands R_i 510 sehen.
Die 8A und 8B sind Kurven für eine Impedanz über eine Frequenz für die Schaltung der 7. Genauer gesagt ist die 8A eine Kurve einer Impedanz über eine Frequenz für die Leistungsversorgungsschaltung 702 und ist die 8B eine Kurve für eine Impedanz über eine Frequenz für die DC-Eingangsspannungs-Steuerschaltung 704. In 8A ist die Impedanzcharakteristik bzw. -kennlinie der Leistungsversorgungsschaltung 702 einfach äquivalent zu einem Wert des Widerstands R_i 510, der zum Lesewiderstand R_s addiert ist. Bei der Implementierung der 7 ist R_i ein passives Element mit einem konstanten Wert. Gegensätzlich dazu ist in 8B eine Eingangsimpedanz bei R_s unter einer Grenzfrequenz f1 stabil und wird nach der Grenzfrequenz f1 stetig größer. Somit sollte es verstanden werden, dass ein Kombinieren der Kennlinien für eine Impedanz über eine Frequenz, die in den 8A und 8B gezeigt sind, in der kombinierten Kennlinie für eine Impedanz über eine Frequenz resultieren, die bereits oben in Bezug auf 6 diskutiert ist.
Die Kennlinien für eine Impedanz über eine Frequenz, die in den 6, 8A und 8B gezeigt sind, sind Kennlinien, die eine niedrige Impedanz zu dem DC-Stromsignal mit 4–20 mA liefern, während eine relativ hohe und flache Impedanz für alle Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz f1 zur Verfügung gestellt wird. Darüber hinaus kann diese Kennlinie für eine Impedanz über eine Frequenz zuverlässig und billig erhalten werden, da eine minimale Anzahl von Schaltkreiskomponenten verwendet wird und die Kommunikationsimpedanz durch den passiven Widerstandselementenwiderstand R_i 510 zur Verfügung gestellt wird.
Das Vorhandensein der DC-Eingangsspannungs-Steuerung 704 lässt die Beibehaltung einer stabilen DC-Eingangsspannung zu. Dieser Effekt kann durch Betrachten eines Betriebs der Schaltung 700 in der Abwesenheit der DC-Eingangsspannungs-Steuerung 704 besser verstanden werden. In diesem Fall würde beim derartigen Betrachten eines Werts des Widerstands R_i 510 derart, dass er beispielsweise 300 Ohm ist, dann eine Eingangsspannung U_i um Spannungsabfall über dem Widerstand R_i 510 erhöht werden, d. h. eine Stromgröße bzw. -amplitude des Stroms multipliziert mit, in diesem Fall, 300 Ohm. Somit würde es bei 4 mA zusätzliche 1,2 Volt addiert zur Eingangsspannung geben (d. h. 0,004 A × 300 Ohm = 1,2 V). Im Fall eines Eingangsstroms von 20 mA würde jedoch die durch den Spannungsabfall über dem Widerstand R_i 510 hinzugefügte Erhöhung derart anwachsen, dass sie 6 Volt ist (d. h. 0,002 A × 300 Ohm = 6 V). Mit dem Vorhandensein der DC-Eingangsspannungs-Steuerung 704 wird jedoch ein übermäßiger Strom oberhalb von 4 mA, der durch die Lastvorrichtung, wie beispielsweise das Stellglied 112, nicht benötigt wird, aus dem Eingang des DC/DC-Wandlers gezogen, so dass nur 1,2 Volt zu der Schleifen-DC-Eingangsspannung hinzugefügt werden können. Auf diese Weise wird die Eingangsspannung auf beispielsweise 10,2 V (d. h. V_in + V_Ri = 9 V + 1,2 V = 10,2 V) stabil gehalten.
9 ist ein Schaltungsdiagramm einer Schnittstellenschaltung 900. 9 ist sehr ähnlich der 5 und enthält Eingangsanschlüsse 902 und 904, die eine Eingangsspannung U_i definieren, sowie eine Impedanzsteuerung und eine Umleitungsschaltung 906, die zu einer Leistungsversorgungsschaltung 908 in Reihe geschaltet sind. Die Impedanzsteuerungs- und Umleitungsschaltung 906 enthält einen Widerstand R_i 910, eine Induktanz 912 und eine Spannungs-Steuervorrichtung 914, die sehr ähnlich den entsprechenden Elementen in 5 sind. Zusätzlich enthält jedoch die Impedanzsteuerungs- und -umleitungsschaltung 906 auch eine negative Impedanz minus R_x 916. Die Leistungsversorgungsschaltung 908, die identisch zu der Leistungsversorgungsschaltung 508 der 5 ist, enthält eine Spannungs-Steuervorrichtung 918 und einen Lesewiderstand R_s 920.
10 ist eine Kurve für eine Impedanz über eine Frequenz für die Schaltungen der 9 und 12. In 10 kann gesehen werden, dass die Impedanz der Schaltung 900 der 9, die der Eingangsimpedanz der Schaltung 500 der 5 sehr ähnlich ist, damit beginnt, schnell über dem Lesewiderstand R_s bei einer vorbestimmten Grenzfrequenz f1 anzuwachsen, und sich bei einem Wert gleich einem Widerstand von R_i 910 für Frequenzen in einem digitalen Kommunikationsbereich abflacht. Ungleich der Schaltung 500 der 5 legt jedoch, wie es in 10 gezeigt ist, die Impedanz 916 tatsächlich eine negative Impedanz Signalen mit sehr niedriger Frequenz auf, die bei der Schaltung 900 empfangen werden.
Eine solche negative Impedanzcharakteristik, die durch die Impedanz 916 zur Verfügung gestellt wird, kann zum Kompensieren unerwünschte Spannungsabfälle (und entsprechender Impedanzen) verwendet werden, die beispielsweise entlang einer Länge der Schnittstelle 108 mit zwei Drähten auftreten, oder entlang einer Sicherheitsgrenze, oder einem anderen Element in Reihe geschaltet zu der Schaltung 900 und mit einer Impedanz. Genauer gesagt kann als Ergebnis von solchen hinzugefügten, unerwünschten Spannungsabfällen, die durch die Stromquelle (d. h. die Stromquelle 104 in 1) gesehen werden, eine AC-Spannung an dem Stromquellenausgang vor einem ausreichenden Erhöhen auf eine Weise beschränkt werden, die konsistent mit einem Signal ist, das von der Stromquelle 104 kommuniziert wird. In solchen Fällen können Kommunikationssignale an den Schleifendrähten zerstört werden. Ein Erniedrigen der Eingangsspannung Ui mit größer werdendem Strom (d.h. negative Impedanz) kompensiert im Wesentlichen diese Beschränkung. Darüber hinaus kann deshalb, weil ein niedriges Stromsignal an der Schnittstelle 108 mit zwei Drähten niedrige Spannungsabfälle erzeugt, während ein hohes Stromsignal hohe Spannungsabfälle an allen positiven Lasten an den Drähten erzeugt, der Vorrichtungseingang die Eingangsspannung U_i mit einem höheren Eingangsstrom erniedrigen, selbst während eine ausreichende Betriebsleistung am Vorrichtungseingang stabil gehalten wird, wie es nachfolgend detaillierter diskutiert ist.
Eine Art zum Erreichen einer negativen Impedanz 916 besteht im Erzeugen einer inversen Beziehung zwischen der DC-Eingangsspannung U_i und dem Eingangsstrom selbst. Anders ausgedrückt erniedrigt sich dann, wenn die DC-Eingangsspannung größer wird, der Eingangsstrom, was äquivalent zu einer negativen Impedanz ist.
11 ist eine Kurve für eine Spannung über einen Strom für die Schaltungen der 9 und 12. In 11 resultiert, wie es gerade beschrieben ist, ein größer werdender Strom I_i in einer kleiner werdenden Spannung U_i bis hinab zu einem unteren Grenzpegel, der gleich U₀-Grenze ist, d.h. die Ausgangsspannung minus irgendeinem vorbestimmten Grenzpegel, der zum Schützen gegenüber einer Überhitzung entwickelt ist. Somit ist gegensätzlich zu den Schaltungen der 5 und 7 die DC-Eingangsspannung der 9 und 12 nicht stabil und wird, wie es gezeigt ist, tatsächlich mit größer werdendem Strom kleiner.
Die 12 ist ein Schaltungsdiagramm einer Implementierung 1200 der Schnittstellenschaltung der 9. In 12 enthält die Schaltung 1200 eine Impedanzsteuerungs- und Leistungsversorgungsschaltung 1202, die DC-Eingangsspannungs-Steuerung 1204 und eine Frequenzkompensationsschaltung 1206. Die Impedanzsteuerungs- und Leistungsversorgungsschaltung 1202 enthält einen DC/DC-Wandler 1208 sowie den Eingangswiderstand R_i 910. Wie es oben in Bezug auf die 5 und 7 erklärt ist, wird der Widerstandswert R_i 910 allen AC-Stromsignalen im digitalen Kommunikationsspektrum oberhalb der Grenzfrequenz f1 präsentiert.
Die DC-Eingangsspannungs-Steuerung 1204 enthält eine Stromumleitung 1210, einen Widerstand 1212, einen Widerstand 1214, einen Kondensator 1216, einen Widerstand 1218 und einen Operationsverstärker 1220. Wie mit der oben in Bezug auf 7 diskutierten DC-Eingangsspannungs-Steuerung dient die DC- Eingangsspannungs-Steuerung 1204 zum Ziehen eines Stroms, der den minimalen Wert von 4 mA übersteigt, weg vom DC/DC-Wandler 1208.
Die Frequenzkompensationsschaltung 1206 enthält einen Widerstand 1222, einen Kondensator 1224, eine Kapazität 1226, einen Widerstand 1228 und einen Widerstand 1230. Die Frequenzkompensationsschaltung 1206 wird aufgrund der Tatsache benötigt, dass der Widerstand 1230 (entgegengesetzt zum Widerstand 718, siehe 7) eine Spannungsdifferenz zwischen einem Eingang eines positiven Anschlusses zu dem Operationsverstärker 1220 und der negativen Leiterbahn 904 misst (entgegengesetzt zu einer Differenz zwischen dem Eingang mit positivem Anschluss und Erdung). Als Ergebnis und deshalb, weil die Operationsverstärker 436, 716 und 1220 alle versuchen, ein Nullspannungsdifferential an ihren Eingangsanschlüssen zu erhalten, muss der Operationsverstärker 1220 auf einen erhöhten negativen Wert bei der Leiterbahn 904 reagieren (aufgrund beispielsweise eines erhöhten Stroms), indem ein Spannungswert bei der Leiterbahn 902 erhöht wird. Auf diese Weise kann eine feste Beziehung zwischen einem Eingangsstrom (d.h. einer Spannung bei einer negativen Leiterbahn 904) und einer Spannung bei der Leiterbahn 902 erhalten werden. Jedoch deshalb, weil der Eingangsstrom/die Eingangsspannung bei der Leiterbahn 904 auf einen AC-Wert des Eingangsstroms bezogen ist, könnte der Operationsverstärker 1220 diesen AC-Wert genauso gut zu der Leiterbahn 902 transferieren. Die Frequenzkompensationsschaltung 206 filtert durch Auswählen geeigneter Wert für den Widerstand 1222 und den Kondensator 1224 relativ zu dem Widerstand 1230 und dem Widerstand 1228 diese AC-Komponenten von der Leiterbahn 902. Somit lässt die Frequenzkompensationsschaltung 1206 eine Erhöhung bezüglich der Impedanz der DC-Eingangsspannungs-Steuerung 1204 bei höheren Frequenzen zu, was das erwünschte Verhalten für die Schaltung 1200 ist, wie es oben erklärt ist.
Wie es in 12 gezeigt ist, hat die Referenzspannung für den Operationsverstärker 1220 eine Abhängigkeit von dem Lesewiderstand 920, so dass sich die Referenzspannung mit dem Eingangsstrom ändert. Darüber hinaus ist der Eingang des Operationsverstärkers 1220 verglichen mit der Referenzspannung auch abhängig von dem Eingangsstrom, wie es durch die Verbindung des Widerstands 1230 mit dem Anschluss 904 gezeigt ist (entgegengesetzt zu einer Verbindung des Widerstands 718 mit der Erdung in 7). Das Ausmaß, bis zu welchem sich die Referenzspannung mit dem Eingangsstrom ändert, hängt von den Widerständen 1212, 1214, 1218, 1228 und 1224 ab.
Genauer gesagt kann die Eingangsspannung durch die Gleichung (1) definiert werden:
In der Gleichung (1) kann gesehen werden, dass eine Erhöhung des Stroms I_i in einer Erniedrigung bezüglich U_i resultieren wird, wenn der Ausdruck R4*(R1 + R2 + R3) größer als der Ausdruck R3*(R4 + R5) im Zähler des zweiten Ausdrucks in der Differenz ist. Die Beziehung kann aufgrund des Vorhandenseins des Ausdrucks R3 * R4 in beiden Ausdrücken auch ausgedrückt werden als R4*(Rl + R2) > R3 * R5.
Somit wird in der Gleichung (1) und unter abermaliger Bezugnahme auf 11 U_i theoretisch maximiert werden, wenn I_i Null ist; jedoch wird in diesem Fall eine Leistung zu einer Lastvorrichtung ebenso Null werden (da Leistung = I_i * U_i = 0) . Wenn der Strom I_i eine Stelle erreicht, wo ein nötiger Pegel einer Leistung erreicht ist (typischerweise eine Stelle etwas unterhalb von 4 mA), dann gilt die Gleichung (1) und wird die Beziehung zwischen U_i und I_i in 11 gezeigt. Wenn der Strom I_i die Grenze von 20 mA übersteigt, veranlasst jeder übermäßige Strom, dass sich U_i theoretisch auf Null reduziert und dadurch die Schaltung 1200 und eine zugehörige Verdrahtung vor einer Überhitzung schützt. Während theoretisch die Eingangsspannung auf Null geht, wie es gerade beschrieben ist, kann dieses Verhalten tatsächlich nicht existieren. Beispielsweise wird eine Technik zum Erniedrigen der Eingangsspannung U_i, wie beispielsweise ein Fließenlassen des Stroms vom Eingang zum Ausgang (z. B. mit einem Transistor), nur wirken, bis ein Pegel der Ausgangsspannung erreicht ist, woraufhin eine weitere Erhöhung des Eingangsstroms die Leistung zur Schaltung 1200 erhöhen wird.
In einem solchen Fall kann es auftreten, dass sich U_i mit einem Strom, der über 20 mA hinausgeht, erhöhen wird, um dadurch die Möglichkeit eines Überhitzens zu präsentieren. Zum Vermeiden dieses Falls kann eine Impedanzschaltung bei der Anschlussstelle hinzugefügt werden, die durch die Anschlüsse 902 und 904 definiert ist, was den Eingangsstrom I_i effektiv bei einem Wert oberhalb von 20 mA sperrt, wie beispielsweise bei 23 mA. Eine solche Schaltung kann entworfen sein, um eine geringe oder keine Impedanz unter dem Grenzwert von beispielsweise 23 mA zu präsentieren, aber eine extrem hohe Impedanz oberhalb dieses Grenzwerts zu präsentieren. In diesem Fall wird eine Leistung zur Feldvorrichtung 101 und eine zugehörige Schaltung effektiv und sicher begrenzt.
Somit beruht die Schaltung 1200 gegensätzlich zu den Schaltungen 400 und 700 nicht auf der Vorrichtungslast zum Bestimmen einer Größe des Stroms, der umzuleiten ist. Vielmehr wird eine Menge an Ausgangsstrom, der umzuleiten ist, in Bezug auf einen bestimmten Eingangsstrom vorbestimmt.
Solange wie der Ausgangsstrom für alle Eingangsströme ausreichend ist, um die Lastvorrichtung(en) anzutreiben, wird die Schaltung 1200 in Betrieb sein. In Fällen, in welchen der Ausgangsstrom das Ausmaß übersteigt, das zum Antreiben der Lastvorrichtung(en) nötig ist, kann eine DC-Ausgangsspannungs-Steuerschaltung 1232 mit einer Spannungs-Regelvorrichtung, wie beispielsweise eine Zenerdiode 1234, zum Verschwindenlassen des übermäßigen Stroms verwendet werden.
Darüber hinaus wird gegensätzlich zu der Schaltung 700 die DC-Eingangsspannung für verschiedene Eingangsströme nicht auf einem vorbestimmten Wert stabil gehalten. Vielmehr wird die DC-Eingangsspannung mit einem größer werdenden Eingangsstrom kleiner, um dadurch die Kennlinie einer negativen Impedanz zur Verfügung zu stellen, die oben diskutiert ist.
In den 4, 7 und 12 ist angenommen, dass die verschiedenen DC/DC-Wandler von dem Typ sind, der einen Strom durch den Wandler in Vorwärtsrichtung und in Rückwärtsrichtung treiben kann, welche oben in Bezug auf das US-Patent Nr. 6,064,583 diskutiert sind. Demgemäß kann die DC-Eingangsspannungs-Steuerungsschaltung 1204 nicht nur einen übermäßigen Strom von einem Eingang des DC/DC-Wandlers 1208 umleiten, sondern sie kann auch einen Strom durch den DC/DC-Wandler 1208 und über den Widerstand R_i 910 und die Schnittstelle 108 mit zwei Drähten (die in 12 durch die Anschlüsse 902 und 904 definiert ist) in Rückwärtsrichtung umleiten. Dieser Strom hat gegenteilig zu dem Fluss eines Stroms des Signals von 4–20 mA, wie es oben beschrieben ist, die Wirkung eines Bereitstellens der negativen Impedanz zu dem ankommenden Stromsignal, um dadurch irgendwelche unerwünschten Spannungsabfälle zu kompensieren, die bei irgendwelchen Impedanzen auftreten, die in Reihe zu der Schnittstellenschaltung 1200 geschaltet sind.
Die 13A und 13B sind Kurven für eine Impedanz über eine Frequenz der Schaltung der 12. 13A zeigt, dass für alle Frequenzen eine Impedanz, die die Impedanzsteuerungs- und Leistungsversorgungsschaltung 1202 übersteigt, äquivalent zu dem Wert des Widerstandswerts R_i 910 ist, der zu dem Widerstandswert des Lesewiderstands 920 R_s addiert ist. In 13B ist die negative Impedanz 916 –R_x bei sehr niedrigen Frequenzbereichen existent, und wächst auf R_s an. Bei der Grenzfrequenz f1 wächst die Impedanz für die DC-Eingangsspannungs-Steuerschaltung 1204 auf Unendlich an. Somit ergibt eine Kombination der Kurven der 13A und 13B die Kurve für eine Impedanz über eine Frequenz, die in 10 gezeigt ist.
Als zusätzlichen Vorteil kann der Rückwärtsstrom, der bei dem Betrieb der Schaltung 1200 vorhanden ist, zusätzlich dazu verwendet werden, eine digitale Kommunikation und eine Umleitung der Kommunikationseinheit 130 (1) zur Verfügung zu stellen. Allgemein können Übertragungen von einer Schaltung, wie beispielsweise der Schaltung 400, 700 oder 1200 durch eine Spannungsmodulation durchgeführt werden. Jedoch kann in der Schaltung 1200 der Rückwärtsstrom moduliert werden, wie er von dem DC/DC-Wandler 1208 ausgegeben wird, und durch den Widerstand R_i 910 geführt werden, um dadurch digitale Kommunikationen über dieses modulierte Stromsignal zuzulassen. Natürlich ist diese Technik für digitale Kommunikationen nur in Situationen verfügbar, in welchen der Eingangsstrom 4 mA übersteigt und das Übermaß nicht in seiner Gesamtheit benötigt wird, um die Lastvorrichtung anzutreiben (d. h. wenn die Eingangsspannungs-Steuerschaltung 1204 einen Strom umleitet).
Schließlich sind Implementierungen offenbart worden, die billig und zuverlässig eine Schnittstellenschaltung von 4–20 mA zur Verfügung stellen, die eine Charakteristik mit einer dualen Impedanz hat, so dass eine erste Impedanz einem ersten Stromsignal präsentiert wird und eine zweite Impedanz einem zweiten Stromsignal präsentiert wird. Beispielsweise kann die erste Impedanz ein niedriger passiver Widerstandswert sein und kann das erste Stromsignal ein DC-Stromsignal von 4–20 mA sein. Die zweite Impedanz kann ein höherer passiver Widerstand sein und das zweite Stromsignal kann ein AC-Signal mit einer Spitze-zu-Spitze von etwa 1 mA sein, das dem Stromsignal von 4–20 mA auferlegt wird, um digitale Kommunikationen zu tragen. Wie es beschrieben ist, kann die erste Impedanz ein Lesewiderstand sein und dient eine Spannung über dem Lesewiderstand zum Messen einer Stromgröße des Signals von 4–20 mA. Die zweite Impedanz kann ein oder mehrere Widerstände in Reihe geschaltet zu einer Leistungsversorgungsschaltung, wie beispielsweise einem DC/DC-Wandler sein, wobei ein Widerstandswert dieser Widerstände zu einem Widerstandswert des Lesewiderstands addiert bzw. hinzugefügt ist.
Zum Präsentieren der dualen Impedanzen zu den zwei Stromsignalen, wie es gerade beschrieben ist, kann die zweite Impedanz in Reihe zu der Leistungsversorgungsschaltung angeordnet sein, und diese Reihenschaltung kann parallel zu einer Stromumleitungsschaltung mit einer induktiven elektrischen Kennlinie angeordnet sein. Diese Kombination aus der zweiten Impedanz, der Leistungsversorgungsschaltung und der Stromumleitungsschaltung kann dann in Reihe zu der ersten Impedanz angeordnet sein. Bei dieser Implementierung werden Niederfrequenzsignale, wie beispielsweise Stromsignale von 4–20 mA, um die zweite Impedanz und die Leistungsversorgungsschaltung kurzgeschlossen, wobei nur die erste Impedanz gesehen wird (z. B. der Lesewiderstand). Gegensätzlich dazu sehen Hochfrequenzsignale die induktive Stromumleitungsschaltung, die effektiv im Leerlauf ist, und sehen die erste und die zweite Impedanz in Reihe zueinander geschaltet.
Wenn das Signal von 4–20 mA einen vorbestimmten minimalen Stromwert von beispielsweise 4 mA übersteigt und das Übermaß von einer Lastvorrichtung nicht erforderlich ist, die zu der Schnittstellenschaltung gehört, kann die Stromumleitungsschaltung den übermäßigen Strom zur Erdung ableiten. Alternativ dazu kann ein Führen von einem solchen übermäßigen Strom in Abhängigkeit von der Spannung über der ersten Impedanz (z. B. dem Lesewiderstand) durchgeführt werden, so dass ein Ausgangsstrom auf ein vorbestimmtes Ausmaß entsprechend dem Wert des Eingangsstroms festgelegt ist. In diesem Fall kann der übermäßige Strom durch die Leistungsversorgungsschaltung getrieben und zurück an eine Schnittstelle mit zwei Drähten, die zu der Schnittstellenschaltung gehört, geführt werden, um der Schnittstellenschaltung eine Charakteristik einer negativen Impedanz zur Verfügung zu stellen. Diese Charakteristik einer negativen Impedanz kann zum Kompensieren unerwünschter Spannungsabfälle verwendet werden, die zu der Schnittstelle mit zwei Drähten gehören. Zusätzlich kann der durch die Leistungsversorgungsschaltung in Rückwärtsrichtung getriebene Strom zum Übertragen von digitalen Kommunikationen von der Schnittstellenschaltung über die Schnittstelle mit zwei Drähten verwendet werden.
Eine Anzahl von Implementierungen ist beschrieben worden. Nichtsdestoweniger wird es verstanden werden, dass verschiedene Modifikationen durchgeführt werden können. Demgemäß sind andere Implementierungen innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche.
Zusammenfassung
Es ist eine Schnittstellenschaltung für 4–20 mA offenbart, die einen Widerstand in Reihe geschaltet zu einem DC/DC-Wandler hat, und die weiterhin eine Stromumleitungsschaltung parallel zu der Reihenschaltung aus dem Widerstand und dem DC/DC-Wandler hat. Auf diese Weise kann ein analoger Strom von 4–20 mA bei einer niedrigen Frequenz um die Reihenschaltung umgeleitet werden, wohingegen ein Hochfrequenzstrom, der ein digitales Kommunikationssignal trägt, mit dem Widerstand als seine einzige effektive Eingangsimpedanz präsentiert werden kann. Auf diese Weise sieht der Strom von 4–20 mA eine Eingangsimpedanz, die zulässt, dass der Strom von 4–20 mA beim Zuführen von Leistung zu einer externen Vorrichtung verwendet wird, wohingegen der Hochfrequenzstrom eine Impedanz sieht, die ein zuverlässiges Lesen mit geringer Verzerrung seines digitalen Kommunikationssignals zulässt. Der Hochfrequenzstrom kann dem Niederfrequenzstrom von 4–20 mA überlagert sein. Teile des Stroms von 4–20 mA, die zur Leistungsversorgung der externen Vorrichtung nicht erforderlich sind, können zur Erdung nebengeschlossen werden oder können durch den DC/DC-Wandler zurückgetrieben werden, um dadurch dem Strom von 4–20 mA eine negative Impedanz zu präsentieren.
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Claims

Schaltung, die folgendes aufweist: eine Schnittstelle mit zwei Drähten, die zum Eingeben eines niederfrequenten ersten Stroms und eines hochfrequenten zweiten Stroms betreibbar ist; eine erste Impedanz, die dem ersten Strom präsentiert wird; eine zweite Impedanz, die dem zweiten Strom präsentiert wird; eine DC-Versorgungsschaltung in Reihe zu der zweiten Impedanz geschaltet, um dadurch eine Reihenschaltung zu bilden; und eine Stromumleitungsschaltung parallel zu der Reihenschaltung geschaltet und betreibbar zum Umleiten eines Teils des ersten Stroms um die Reihenschaltung.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Impedanz ein Lesewiderstand ist, der zum Übertragen des ersten Stroms betreibbar ist, so dass eine Vorrichtungsvariable einer Vorrichtung, die extern zu der Schaltung ist, gemäß einer Lesespannung über dem Lesewiderstand und proportional zum ersten Strom eingestellt wird.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Impedanz in Reihe zu der Parallelschaltung der Stromumleitungsschaltung und der Reihenschaltung geschaltet ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Impedanz zusätzlich dem zweiten Strom präsentiert wird.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die zweite Impedanz ein passives Widerstandselement aufweist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die DC-Versorgungsschaltung einen DC/DC-Wandler aufweist, der zum Treiben eines Stroms in Vorwärtsrichtung und in Rückwärtsrichtung dort hindurch betreibbar ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Teil des ersten Stroms basierend auf einer Differenz zwischen einer Größe des ersten Stroms und einem Ausmaß an Antriebsstrom, der zum Antreiben einer Lastvorrichtung erforderlich ist, bestimmt wird.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Stromumleitungsschaltung betreibbar ist, um bei der Schnittstelle mit zwei Drähten eine stabile DC-Spannung zu halten.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Teil des ersten Stroms basierend auf einer Größe des ersten Stroms bestimmt wird, um dadurch eine vorbestimmte Beziehung zwischen einem Ausgangsstrom der Schaltung und dem ersten Strom zu bilden.
Schaltung nach Anspruch 9, wobei die Größe des ersten Stroms bei der ersten Impedanz gemessen wird.
Schaltung nach Anspruch 9, wobei eine bei der Schnittstelle mit zwei Drähten gemessene Eingangsspannung sich mit einem Erniedrigen des ersten Stroms erhöht.
Schaltung nach Anspruch 9, wobei die Schaltung eine negative Impedanz bei der Schnittstelle mit zwei Drähten präsentiert.
Schaltung nach Anspruch 9, wobei der Teil des Stroms durch die DC-Versorgungsschaltung angetrieben und durch die Schnittstelle mit zwei Drähten ausgegeben wird.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Strom eine Frequenz unterhalb von etwa 500 Hz hat.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der zweite Strom dem ersten Strom überlagert ist und ein digitales Kommunikationssignal trägt.
Schaltung, die folgendes aufweist: einen Widerstand, der zum Bestimmen einer Impedanz betreibbar ist, die durch einen Schaltungseingangsstrom gesehen wird, wenn der Schaltungseingangsstrom über einer bestimmten Frequenz ist; einen DC/DC-Wandler, der in Reihe zu dem Widerstand geschaltet ist, um dadurch eine Reihenschaltung aus dem Widerstand und dem DC/DC-Wandler zu bilden; und eine Umleitungsschaltung, die parallel zu der Reihenschaltung geschaltet ist, wobei die Umleitungsschaltung betreibbar ist, um einen Teil des Schaltungseingangsstroms um die Reihenschaltung zu führen, wenn der Schaltungseingangsstrom unter der bestimmten Frequenz ist.
Schaltung nach Anspruch 16, wobei der Widerstand ein passives Element enthält.
Schaltung nach Anspruch 16, wobei der Widerstand einen Widerstand bzw. Resistor enthält.
Schaltung nach Anspruch 16, wobei der DC/DC-Wandler weiterhin betreibbar ist, um eine erste Spannung einzugeben und eine zweite Spannung auszugeben, die niedriger als die erste Spannung ist.
Schaltung nach Anspruch 16, wobei die Umleitungsschaltung weiterhin betreibbar ist, um einen übermäßigen Strom, der bezüglich der Größe einen vorbestimmten Pegel übersteigt, zu ziehen und den Strom weg vom Schaltungsausgang zurückzuführen.
Schaltung nach Anspruch 20, wobei die Umleitungsschaltung den übermäßigen Strom zur Erdung zurückführt bzw. umleitet.
Schaltung nach Anspruch 20, wobei die Umleitungsschaltung den übermäßigen Strom in einen Ausgang des DC/DC-Wandlers zurückführt bzw. umleitet und dadurch einen Spannungsabfall entlang einer Schleife mit zwei Drähten kompensiert, die den Schaltungseingangsstrom zur Schaltung trägt.
Schaltung nach Anspruch 22, wobei der übermäßige Strom aus dem Eingang des DC/DC-Wandlers austritt, den Widerstand durchläuft und von der Schaltung ausgegeben wird, um dadurch eine negative Impedanz zu dem Schaltungseingangsstrom zu präsentieren, wenn der Schaltungseingangsstrom unter der bestimmten Frequenz ist.
Schaltung nach Anspruch 16, wobei der DC/DC-Wandler weiterhin betreibbar ist, um einen Strom von einem Eingang des DC/DC-Wandlers zu einem Ausgang des DC/DC-Wandlers zuführen und einen Strom vom Ausgang zum Eingang zu führen.
Schaltung nach Anspruch 16, wobei der Teil des Schaltungseingangsstroms zur Erdung nebengeschlossen wird und eine Eingangsspannung zu der Schaltung auf einem stabilen Wert gehalten wird.
Schaltung nach Anspruch 16, wobei der Teil des Schaltungseingangsstroms zum Antreiben einer Vorrichtung verwendet wird, die extern zu der Schaltung ist.
Schaltung nach Anspruch 16, die weiterhin einen Lesewiderstand aufweist, der betreibbar ist, um den Schaltungseingangsstrom einzugeben, wodurch eine Lesespannung, die proportional zu dem Schaltungseingangsstrom ist und über dem Lesewiderstand abgenommen wird, dazu verwendet wird, eine Vorrichtungsvariable für eine Vorrichtung einzustellen, die extern zu der Schaltung ist.
Schaltung nach Anspruch 27, wobei die Lesespannung weiterhin eine Eingangsspannung zu der Schaltung bestimmt, so dass die Eingangsspannung mit einer Erhöhung des Schaltungseingangsstroms kleiner wird.
Schaltung nach Anspruch 28, wobei ein Rückwärtsstrom, der durch die Umleitungsschaltung ausgegeben wird und von der Vorrichtung nicht benötigt wird, von der Schaltung über den DC/DC-Wandler und dem Widerstand ausgegeben wird, um dadurch eine negative Impedanz zu dem Schaltungseingangsstrom zu präsentieren, wenn der Schaltungseingangsstrom unter der bestimmten Frequenz ist.
Schaltung, die folgendes aufweist: eine erste Impedanz; eine zweite Impedanz; einen DC/DC-Wandler, der in Reihe zu der zweiten Impedanz geschaltet ist und eine Reihenschaltung bildet; und eine Stromumleitungsschaltung, die parallel zu der Reihenschaltung geschaltet ist und betreibbar ist, um die erste Impedanz zu einem niederfrequenten ersten Strom von 4–20 mA zu präsentieren, und weiterhin betreibbar ist, um die zweite Impedanz zu einem hochfrequenten zweiten Strom zu präsentieren, wobei der zweite Strom ein digitales Kommunikationssignal trägt und dem ersten Strom überlagert ist.
Schaltung nach Anspruch 30, wobei die erste Impedanz einen Lesewiderstand enthält.
Schaltung nach Anspruch 30, wobei die Stromumleitungsschaltung sowie die erste Impedanz als auch die zweite Impedanz zum zweiten Strom präsentiert.
Schaltung nach Anspruch 30, wobei die erste Impedanz eine negative Impedanz aufweist, resultierend aus einem Rückwärtsstrom, der von der Stromumleitungsschaltung durch den DC/DC-Wandler und die zweite Impedanz getrieben wird.
Schaltung nach Anspruch 33, wobei eine Größe des Rückwärtsstroms auf einer Spannung über einem Lesewiderstand basiert, wobei die Spannung proportional zum ersten Strom ist.
Schaltung nach Anspruch 30, wobei ein Teil des ersten Stroms zum Versorgen einer Vorrichtung mit Leistung verwendet wird, die extern zu der Schaltung ist.
Schaltung nach Anspruch 35, wobei ein Teil des ersten Stroms, der zum Versorgen der Vorrichtung mit Leistung nicht erforderlich ist, durch die Stromumleitungsschaltung zur Erdung nebengeschlossen wird, um dadurch eine Schaltungseingangsspannung auf einem stabilen Wert zu halten.