本质安全电路的驱动器电路

摘要

本发明涉及本质安全电路的驱动器电路。驱动器电路包括：耦合电容器，其对AC电压信号开放并去耦DC电压信号，其中，耦合电容器包括第一端子且通过第一端子电连接至驱动器电路的第一输出线；用于检测耦合电容器的从耦合电容器的第一端子流向驱动器电路的第一输出线的输出电流的电路；可切换元件，其至少间接地电连接到耦合电容器的第二端子；用于控制可切换元件的切换特性的电路，其中，该电路用于当耦合电容器的所述第一端子处的输出电流超过预定阈值时将可切换元件从电阻断状态切换到导电状态，使得处于导电状态的可切换元件使耦合电容器的电荷经由第二端子释放。

权利要求

1.一种驱动器电路(200)，其被构造成处理并提供用于本质安全电路(10)的电气装置(300)的电信号，所述驱动器电路包括：耦合电容器(220)，其被设计成对AC电压信号开放并去耦DC电压信号，其中，所述耦合电容器包括第一端子(224)，并通过所述第一端子电连接至所述驱动器电路(200)的第一输出线(202)；

被构造成检测所述耦合电容器的输出电流的电路(240)，所述输出电流从所述耦合电容器(220)的所述第一端子(224)流向所述驱动器电路(200)的所述第一输出线(202)；

可切换元件(230)，其至少间接地电连接到所述耦合电容器的第二端子(222)；

被构造成控制所述可切换元件的切换特性的电路，其中，被构造成控制所述可切换元件的切换特性的所述电路被设计成当所述耦合电容器在所述第一端子(224)处的所述输出电流达到或超过预定阈值时将所述可切换元件从电阻断状态切换到导电状态，使得处于所述导电状态的所述可切换元件使所述耦合电容器(220)的电荷经由所述第二端子(222)释放，所述驱动器电路还包括：

控制单元(210)和调制器单元(215)，其中，所述控制单元(210)被设计成生成第一控制信号并将该信号传送至所述调制器单元(215)，而所述调制器单元被设计成调制所接收的所述第一控制信号并将所调制的信号发射至所述耦合电容器。

2.根据权利要求1所述的驱动器电路(200)，

其中，被构造成检测所述耦合电容器(220)在所述第一端子(224)处的所述输出电流的所述电路(240)包括第一欧姆电阻器，所述第一欧姆电阻器布置在所述耦合电容器的所述第一端子(224)与所述驱动器电路(200)的所述第一输出线(202)之间。

3.根据权利要求1或2所述的驱动器电路(200)，其中，所述可切换元件(230)被设计为半导体元件，所述半导体元件根据第二控制信号能够从所述导电状态切换到所述电阻断状态，或相反，其中，所述半导体元件包括连接线路，所述连接线路的电阻器能够根据被施加到所述半导体元件的控制输入端(236)的所述第二控制信号而发生改变。

4.根据权利要求3所述的驱动器电路(200)，

其中，所述可切换元件(230)包括双极性晶体管。

5.根据权利要求4所述的驱动器电路(200)，其还包括：集电极电阻器(250)，其布置在所述双极性晶体管的第一端子(232)与所述耦合电容器(220)的所述第二端子(222)之间。

6.根据权利要求4或5所述的驱动器电路(200)，其中，所述双极性晶体管的第二端子(234)连接至所述耦合电容器(220)的所述第一端子(224)。

7.根据权利要求4或5所述的驱动器电路(200)，其还包括：基极电阻器(260)，其将所述第一输出线(202)连接至所述双极性晶体管(230)的第三端子(236)。

8.一种本质安全电路(10)，其包括：

电源(100)；

根据权利要求1-7中任一项所述的驱动器电路(200)；和电气装置(300)，

其中，所述电源被布置成向所述驱动器电路提供电流，其中，所述驱动器电路被设计成提供用于所述电气装置的控制信号，并经由所述第一输出线(202)将所述控制信号传送至所述电气装置。

9.根据权利要求8所述的本质安全电路(10)，

其中，所述电气装置(300)是用于检测物理参数的传感器。

10.根据权利要求9所述的本质安全电路(10)，其中，所述传感器是填充物位测量装置、压力测量装置、极限物位测量装置、密度测量装置或流量测量装置。

11.一种用于检测物理参数的传感器，其包括根据权利要求1-7中任一项所述的驱动器电路。

12.根据权利要求11所述的传感器，

其中，所述传感器是填充物位测量装置、压力测量装置、极限物位测量装置、密度测量装置或流量测量装置。

说明书

本质安全电路的驱动器电路

技术领域

[0001] 本发明涉及处理并提供用于本质安全电路(intrinsically safe circuit)的电气装置(尤其是填充物位测量装置、压力测量装置或流量测量装置)的电信号的驱动器电路，并涉及具有对应驱动器电路的本质安全电路。

背景技术

[0002] 技术系统的本质安全性是一种例如通过或借助专门的构造原理来确保即使在技术系统中的故障的情况下也不会发生不安全状态的性能。可以采用各种不同的措施来实现本质安全性，使得尽可能使发生危险情形的风险最小化。通常，可以将故障描述为存在风险或可能发生风险的情形。特别地，例如，可以将这种风险定义为在存在爆炸风险的区域中在闭合电路时产生火花的可能性。

[0003] 本质安全电路通常由电源、驱动器电路和电气装置组成。驱动器电路由电源供应电力，并产生控制信号和/或电源信号，并且将所述信号传送到电气装置。

[0004] 本质安全电路中的电子装置和设备尤其在它们在具有爆炸风险的氛围或环境中的使用或预期使用期间可以通过电源线中的电阻器来限制它们的功耗，以避免形成可燃性火花，从而绝对不会发生爆炸的风险。

[0005] 在许多电子系统中，使用AC电压信号来调制信号并将所述信号传送至电气装置。为了进行去耦(特别是进行DC去耦)，能够使用AC电压信号电容器(所谓的耦合电容器)。然而，在这种情况下，必须确保在故障(例如，电容器的突然放电)的情况下使电容器中存储的电力不以任何可形成可燃性火花的方式耗散。

发明内容

[0006] 人们已经认识到，在为了防止在故障的情况下形成可燃性火花而使用耦合电容器时，通常使用具有高电阻值的串联电阻器。根据使用的电压值和电流值并根据允许流出装置的电流(和/或器件输出端处的电压)来计算电阻值，以防止发生欲要避免的事件。串联电阻器通常在电气装置的方向上连接在驱动器电路的输出端的上游，使得驱动器电路的输出端处的电信号不能引起可燃性火花。类似地，人们已经认识到，高电阻值的缺点在于，通过驱动器电路传送到电气装置的AC电压信号也会衰减。换言之，在故障的情况下不仅不期望的信号发生衰减，驱动器电路的期望的有用信号也发生衰减。然而，这种方法要求驱动器电路对有用信号进行放大，使得该信号在被串联电阻器衰减之后的电平仍然足够高，以便被待被控制的电气装置识别和使用。可替代地，接收电气装置可以设置有适当灵敏的接收器电路。然而，并不总是能够调整驱动器电路或接收电气装置来针对所述功能来使用附加模块(例如，驱动器电路侧的放大器模块或连接在电气装置的上游的接收器模块)，这些附加模块可能对系统的复杂性和功耗具有负面影响。

[0007] 基于这些发现，需要降低本质安全电路的驱动器电路的复杂性和功耗。

[0008] 根据本发明的一个方面，说明了用于处理并提供用于本质安全电路的电气装置的电信号的驱动器电路。电气装置例如是填充物位测量装置、流量测量装置或压力传感器。

[0009] 驱动器电路包括耦合电容器，耦合电容器被设计成对AC电压信号开放并去耦DC电压信号，其中，耦合电容器包括第一端子，并通过第一端子电连接至驱动器电路的第一输出线。另外，驱动器电路包括用于检测耦合电容器的输出电流的装置(所谓的输出电流检测装置)，其中，输出电流从耦合电容器的第一端子流向驱动器电路的第一输出线。另外，驱动器电路包括可切换元件，可切换元件至少间接地电连接到耦合电容器的第二端子。另外，驱动器电路包括用于控制可切换元件的切换特性的装置(所谓的切换特性控制装置)，其中，切换特性控制装置被设计为当耦合电容器的第一端子处的输出电流达到或超过预定阈值时将可切换元件从电阻断状态切换到导电状态，使得处于导电状态的可切换元件会使所述耦合电容器经由第二端子释放电荷。

[0010] 在电路故障的影响具有灾难性后果的环境中使用本质安全电路。例如，在存在爆炸风险的环境中使用本质安全电路，其中，在本质安全电路故障的情况下，需要防止可能导致爆炸的火花的形成。

[0011] 驱动器电路可以被定义为用于本质安全电路的电气装置的操作装置或信号处理单元。驱动器电路可以包括控制单元，控制单元为电气装置提供控制信号或命令，并且从驱动器电路向电气装置传送控制信号或命令。驱动器电路通常被构造为使得其即使在故障的情况下也不会释放可能使在驱动器电路外部形成火花的不期望的高电流。

[0012] 耦合电容器的第一端子至少间接地连接至第一输出线，即，可以在第一端子与输出线之间布置有附加部件。然而，在一个变型例中，耦合电容器的第一端子也可以直接连接至第一输出线。第一端子可以被称为耦合电容器的输出端。

[0013] 耦合电容器的第二端子可以被称为耦合电容器的输入端，并且特别地可以连接至驱动器电路的调制器单元。

[0014] 在一个实施例中，驱动器电路可以包括两条输出线，它们在驱动器电路与电气装置之间来回地传送信号。然而，在这两条输出线之中，仅一条输出线可以通过驱动器电路被充电有电流或电压电位。这条输出线是上面提到的第一输出线。第一输出线用于将电信号从本质安全电路传送至电气装置。

[0015] 可切换元件可分别采用电阻断或导电这两种状态中的至少一种状态。当可切换元件在切换方向上(在连接线路上)不接收电流时，可切换元件是电阻断的，并且如果可切换元件允许电流在连接线路上流动，可切换元件是导电的。用于控制可切换元件的切换特性的装置可以包括多个元件，这些元件在相互作用时影响切换特性，即，将可切换元件从导电状态切换到阻断状态，或相反。

[0016] 在本质安全电路中的故障的情况下，借助用于检测耦合电容器的第一端子(输出端)处的输出电流的装置，能够检测电容器中的以电流形式经由第一端子向输出线流动的任何可能的电荷。通过布置可切换元件(这也可以称为顺序电路(sequential circuit))并且通过改变可切换元件的状态，使耦合电容器的电荷能够经由第二端子流动。换言之，在本质安全电路内因而存在耦合电容器的放电，且耦合电容器的电荷不向外(向第一端子线路)放电。因此，可以减少或防止由于耦合电容器的突然放电而在本质安全电路外形成火花的风险。

[0017] 这里说明的驱动器电路的功能性方面不允许将耦合电容器的电荷从驱动器电路向外驱动，并且需要在内部耗尽或消耗所述电荷，以防止形成外部火花或降低形成火花的风险。这个目的是通过以下处理实现的：监测在所使用的装置(传感器)的方向上来自耦合电容器的电流的流动(通过使用电流感测电阻器来监测电流，隐含地，电流感测电阻器上的电压降根据电流而变化且是流过电流感测电阻器的电流的指示)，并且在达到或超过阈值(即不能被超过的极限值，并且在高于该极限值时存在形成火花的风险)时，闭合电路，以使耦合电容器通过该电路进行内部放电。

[0018] 根据本发明的一个实施例，用于检测耦合电容器在第一端子处的输出电流的装置包括第一欧姆电阻器，第一欧姆电阻器布置在耦合电容器的第一端子与驱动器电路的第一输出线之间。

[0019] 第一欧姆电阻器可以被称为电流感测电阻器。因此，电流感测电阻器上的电压降与流经电流感测电阻器的电流成比例。以此方式，借助于所述电压，可以以简单的方式确定耦合电容器在其第一端子处输出的电流。在一个实施例中，第一欧姆电阻器可以由一个或多个部件组成。例如，第一欧姆电阻器的功能或用途可以通过独立组件的串联连接或并联连接或通过组合的串联/并联连接来实现。

[0020] 根据本发明的另一实施例，可切换元件被设计为半导体元件，半导体元件根据控制信号可以从导电状态切换到电阻断状态，或相反，其中，半导体元件包括连接线路或可切换线路，所述线路的电阻器可以根据被施加到半导体元件的控制输入端的控制信号而发生改变。

[0021] 半导体元件可以是包括控制输入端的晶体管，控制输入端被设计为通过被施加在控制输入端处的控制信号来影响连接线路上的电流的流动。

[0022] 连接线路由半导体元件的两个附加端子(即输入端和输出端)组成，且输入端与输出端之间的电阻值经由控制输入端处的控制信号(电流或电压)而发生改变，使得连接线路的变化的电阻值将所述线路转换成导电状态(连接线路的低电阻状态)或电阻断状态(连接线路的高电阻状态)。

[0023] 在一个实施例中，用于控制可切换元件(即半导体元件)的切换特性的装置由控制输入端处的电流和/或电压信号与半导体元件的至少一个其它端子处的电流和/或电压信号的相互作用形成。这意味着可以相对于彼此地设定两个电位。在具有基极、集电极和发射极的双极性晶体管中，所述电位可以是基极和发射极之间的电位差。

[0024] 根据本发明的另一实施例，可切换元件包括双极性晶体管。在该实施例中，连接线路从集电极延伸至发射极。

[0025] 根据本发明的另一实施例，驱动器电路还包括集电极电阻器，集电极电阻器布置在双极性晶体管的第一端子与耦合电容器的第二端子之间。

[0026] 双极性晶体管的第一端子是其集电极端子。集电极电阻器被特别设计成在集电极处限制双极性晶体管的功耗，并且在故障的情况下转移耦合电容器的电荷。集电极电阻器可以具有几千欧姆的电阻器值，例如3千欧姆至10千欧姆。

[0027] 根据本发明的另一实施例，双极性晶体管的第二端子连接至耦合电容器的第一端子。

[0028] 双极性晶体管的第二端子是所谓的发射极端子。通过该结构，在故障的情况下，耦合电容器的电荷经由双极性晶体管的集电极电阻器和集电极-发射极线路被引导至耦合电容器的第二端子，并且在内部耗尽耦合电容器的电荷，即，在驱动器电路中，在第一端子线路处不向电气装置和供电装置发射电荷。

[0029] 根据本发明的另一实施例，驱动器电路还包括基极电阻器，基极电阻器将第一输出线连接到双极性晶体管的第三端子。

[0030] 双极性晶体管的发射极端子经由电流感测电阻器连接至第一输出线，而双极性晶体管的基极端子经由基极电阻器连接至第一输出线。如果流经电流感测电阻器并且因此从耦合电容器流向第一输出线的电流超过预定极限值，则电流感测电阻器上的电压降发生改变，使得晶体管的发射极处的电势也发生改变。以此方式，由此且根据电流感测电阻器的测量，晶体管的基极发射极电压以及集电极-发射极线路上的电阻器都发生改变。因此，基极-发射极线路特别地根据基极-发射极电压的变化而处于导电或阻断状态。

[0031] 根据本发明的另一实施例，驱动器电路还包括控制单元和调制器单元，其中，控制单元被设计成生成控制信号并将所述信号传送至调制器单元，而调制器单元被设计成调制所接收的控制信号并将所述信号发射至耦合电容器。

[0032] 根据本发明的另一方面，提供了一种包括电源、电气装置和如上下文所述的驱动器电路的本质安全电路。在这种情况下，电源被设置成向驱动器电路提供电力，并且驱动器电路被设计成向电气装置提供控制信号，并且经由第一输出线路将控制信号传送至电气装置。例如，控制信号可以是数字控制信号。

[0033] 根据本发明的另一实施例，电气装置是用于检测物理参数的传感器。

附图说明

[0034] 图1是根据本发明的实施例的本质安全电路的示意图。

[0035] 图2是根据本发明的另一实施例的驱动器电路的示意图。

具体实施方式

[0036] 图1示出了本质安全电路10，本质安全电路可以是传感器的一部分，并且具有电源100(尤其是电流源)、驱动器电路200和电气装置300。电源100向驱动器电路200供电，并具有相应的限制元件(例如，限制电阻器110，参见图2)。以此方式，确保了去往驱动器电路的电压、电流和输出没有超过预定值。

[0037] 驱动器电路200由电源100供电并产生用于电气装置300(例如，传感器或者由电流环供电的HART操作装置和4...20mA HART传感器)的控制信号。驱动器电路能够使用预定的通信或传输协议与电气装置通信。

[0038] 图2是被集成到本质安全电路10中的驱动器电路200的详细视图。

[0039] 驱动器电路200被设置成用于处理并提供用于本质安全电路10的电气装置300的电信号。驱动器电路包括耦合电容器220、用于检测输出电流的电路240(即，如同在用于检测输出电流的电路是电流感测电阻器的特定情况下，使输出电流流过该电路)、双极性晶体管形式的可切换元件230以及用于控制可切换元件230的切换特性的装置。特别地，用于控制切换特性的装置可以是基极电阻器260和发射极电阻器240的布置以及它们与双极性晶体管230的基极端子的功能性交互。

[0040] 耦合电容器220被设计成对AC电压信号开放，并且去耦DC电压信号，其中，耦合电容器包括第一端子224，并通过第一端子电连接至驱动器电路200的第一输出线202。用于检测耦合电容器的输出电流的装置240检测从耦合电容器220的第一端子224流向驱动器电路200的第一输出线202的电流。可切换元件230至少间接地电连接至耦合电容器的第二端子222。

[0041] 驱动器电路200包括二极管205，二极管提供必要的电压降以向驱动器电路的部件供电。为了与电气装置进行数字通信，设置有控制单元210和调制器单元215，并且通过耦合电容器220来调制数字信号。在故障的情况下，耦合电容器可被充电至最大电压，从而提供电力供应。在进一步故障(例如电气设备300的连接端子处的短路)的情况下，驱动器电路输出所存储的电力并产生可燃性火花。为了防止这种情况，将电流感测电阻器240插入在耦合电容器的第一端子224与驱动器电路的第一输出线202之间。电流感测电阻器240确保了：在耦合电容器的经由其第一端子224的足够高的放电电流的情况下，晶体管230的发射极和基极之间的电势差增加，并且晶体管从阻断状态切换到导通状态，即，降低了集电极-发射极线路的电阻。以此方式，经由第二端子222和晶体管放电电流线路，可使被充电的耦合电容器220快速放电。耦合电容器的放电电流经由晶体管230在驱动器电路200中内部地放电，并且没有被输出至第一输出线202和电气装置300。以此方式，能够防止可燃性火花的形成。借助于该电路还能够将电流传感器电阻器240的电阻器值选择为较小(10欧姆和100欧姆之间的几十欧姆)，使得在电气设备300的部分上不需要对驱动器电路的控制信号进行额外地放大或对该信号进行处理。

[0042] 用于检测耦合电容器220的第一端子224处的输出电流的装置240包括布置在耦合电容器的第一端子224与驱动器电路200的第一输出线202之间的第一欧姆电阻器。

[0043] 可切换元件230被设计成半导体元件(特别地，双极性晶体管，特别是所谓的npn晶体管)，且半导体元件能够根据控制信号从导电状态切换到电阻断状态，或相反，其中，半导体元件包括集电极232和发射极234之间的连接路径，连接路径的电阻器可以根据被施加到半导体元件的控制输入端(基极)236的控制信号而发生变化。

[0044] 驱动器电路200包括集电极电阻器250，集电极电阻器250布置在双极性晶体管的第一端子232与耦合电容器220的第二端子222之间。耦合电容器的第二端子222是用于使耦合电容器连接至控制单元210和调制器单元215的端子。

[0045] 驱动器电路包括基极电阻器260，基极电阻器260将第一输出线202连接至双极性晶体管230的第三端子(基极)236。

[0046] 此外，应当注意，“包含”和“包括”不排除任何其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。另外，应当注意，已经参考上述实施例之一说明的特征或步骤也可以与上述其它实施例的其它特征或步骤结合使用。权利要求中的附图标记不应被认为是限制性的。

[0047] 相关申请的交叉引用

[0048] 本申请要求于2016年2月25日提交的德国专利申请102016203014.0的申请日的权益，在这里将该在先申请的全部内容以引用的方式并入本文。

[0049] 附图标记列表

[0050] 10 本质安全电路 100 电源

[0051] 110 串联电阻器 200 驱动器电路

[0052] 202 第一输出线 205 二极管

[0053] 210 控制单元 215 调制器单元

[0054] 220 耦合电容器 222 第二端子

[0055] 224 第一端子 230 可切换元件

[0056] 232 第一端子(集电极) 234 第二端子(发射极)

[0057] 236 第三端子(控制端子、基极)

[0058] 240 用于检测耦合电容器的输出电流的装置

[0059] 250 集电极电阻器 260 控制端子的串联电阻器

[0060] 300 电气装置