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In
der Prozeßmeßindustrie
werden Prozeßtransmitter
bzw. Meßwertgeber
zum Fernüberwachen
von Prozeßvariablen
oder – parametern
verwendet, die Substanzen zugeordnet sind, z. B. Festkörpern, Schlämmen, Flüssigkeiten,
Dämpfen
und Gasen in chemischen, Zellstoff-, Erdöl-, pharmazeutischen, Nahrungs-
oder Futter- bzw. Lebensmittel- und anderen Verarbeitungsanlagen.
Prozeßvariablen oder
-parameter sind z. B. Druck, Temperatur, Durchfluß, Pegel,
Trübung,
Dichte, Konzentration, chemische Zusammensetzung und andere Kenngrößen. Ein
Prozeßtransmitter
ist ein Meß-
oder Signalwandler bzw. Meßwertgeber,
der auf eine Prozeßvariable anspricht
und die Variable in ein standardisiertes elektrisches Signal umwandelt.
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Ein
Prozeßtransmitter
führt das
standardisierte elektrische Signal über eine Prozeßschleife
einem Steuer- oder Kontrollraum zu, so daß der Prozeß überwacht und gesteuert bzw.
geregelt werden kann. Ein Typ einer Prozeßschleife ist eine 4–20 mA-Zweidraht-Prozeßsteuerungsschleife.
Zweidraht-Prozeßtransmitter
sind bei solch niedrigen Energiepegeln betreibbar, daß sie die
gesamte elektrische Leistung über
die 4–20
mA-Schleife erhalten.
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Prozeßtransmitter
wurden aus Vorrichtungen, die ausschließlich analoge Komponenten aufweisen,
zu integrierten intelligenten Transmittern mit analogen- und digitalen
Komponenten entwickelt. Es wird erwartet, daß jede neue Generation von
Prozeßtransmittern
eine höhere
Leistungsfähigkeit
und eine bessere Funktionalität
aufweist als die vorangehende Generation. Obwohl die Leistungsanforderungen
der Prozeßtransmitter
zunehmen, bleiben die Basisleistungsanforde rungen der Transmitter
unverändert. Beispielsweise
wird für
neue Generationen von 4–20 mA-Prozeßtransmittern
allgemein weiterhin gefordert, daß die Elektronik typischerweise
weniger als 3 mA verbraucht.
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Um
eine verbesserte Funktionalität
zu erhalten, werden bei der Konstruktion mancher Prozeßtransmitter
Niedrigspannungskomponenten verwendet, durch die der Stromverbrauch
der Elektronik reduziert wird. Die durch eine Komponente verwendeten
Versorgungs- oder Rail-Spannungen sind für die Spannungsversorgung der
Komponente bereitgestellte Gleichspannungen. Indem der Strom durch Reduzieren
der Versorgungsspannung vermindert wird, können die Leistung und die Funktionalität erhöht bzw.
verbessert werden, ohne daß ein
Gesamtstromverbrauch von 3 mA überschritten
wird.
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Digitale
Komponenten benötigen
eine geringere Versorgungsspannungen als analoge Komponenten. Analoge
Komponenten sind jedoch erforderlich, um hochaufgelöste Informationen über die
erfaßte
Variable bereitzustellen. Analoge Komponenten arbeiten bei niedrigen
Spannungen nicht gut. Außerdem
wird durch Reduzieren der Versorgungsspannung der Eingangsspannungsbereich
für Analog/Digital-(A/D-)Wandler
begrenzt, die in Prozeßtransmittern
häufig
angeordnet sind. Durch Begrenzen des Eingangsspannungsbereichs eines A/D-Wandlers wird die
Auflösung
des A/D-Wandlers begrenzt. Der kombinierte Effekt der Verminderung des
Rauschabstands und des begrenzten Eingangsspannungsbereichs des
A/D-Wandlers kann zu einer wesentlichen Herabsetzung der Gesamtleistung
führen.
Außerdem
müssen,
immer wenn neue Generationen digitaler Komponenten mit niedrigeren
Versorgungsspannungen in einem Prozeßtransmitter implementiert
werden, die analogen Sensorelektronikkomponenten umkonstruiert werden.
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Ein
Step-up-Wandler für
die Spannungsversorgung analoger Komponenten in einem Prozeßtransmitter
ermöglicht
so wohl die Spannungsversorgung von bei niedriger Spannung betriebenen
digitalen Komponenten als auch von bei höherer Spannung betriebenen
analogen Komponenten. Ein Step-up-Wandler ist ein Schaltregler, der ein
Eingangsspannungssignal empfängt
und ein Signal mit einer höheren
Spannung ausgibt. Der Prozeßtransmitter
weist einen Spannungsregler auf, der das Eingangsspannungssignal
dem Step-up-Wandler zuführt.
Der Step-up-Wandler empfängt
das Eingangsspannungssignal und gibt das Signal mit höherer Spannung
aus. Die mit dem Step-up-Wandler
elektrisch verbundenen analogen Komponenten empfangen die Spannung
vom Signal mit höherer
Spannung, während
die mit dem Spannungsregler elektrisch verbundenen digitalen Komponenten
die Spannung vom Eingangsspannungssignal empfangen.
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Beispielsweise
beschreibt die
EP 0529
391 A1 einen Spannungswandlerstromkreis zur Verwendung
in Stromversorgungschaltkreisen, insbesondere für das Umwandeln einer verhältnismäßig niedrigen
Eingangsspannung in einen bestimmt Spannungspegel.
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Die
US 5,764,891 A betrifft
Feldvorrichtungen, die in der Prozesssteuerungsindustrie verwendet
werden, die unter Verwendung von Prozessregelschleifen kommunizieren
und die gemäß dem Fieldbus-Kommunikationsprotokoll
arbeiten.
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Schließlich betrifft
die
US 4,970,451 A eine Vorrichtung,
die eine justierbare konstante hohe Spannung ausgibt, die höher ist
als die der Primärquelle.
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Der
im Prozeßtransmitter
angeordnete Step-up-Wandler ermöglicht
die gleichzeitige Verwendung von bei niedriger Spannung betriebenen
digitalen Komponenten und bei höheren
Spannungen betriebenen analogen Komponenten. Durch Betreiben der
analogen Komponenten bei höheren
Spannungen werden die Auflösung
und andere Leistungskenngrößen des
Transmitters verbessert. Außerdem wird
durch Einfügen
des Step-up-Wandlers
ermöglicht,
daß in
Zukunft neue, bei niedrigerer Spannung betreibbare digitalen Komponenten
verwendet werden können,
ohne daß die
analogen Komponenten umkonstruiert werden müssen.
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Gemäß einem
Aspekt ist im Prozeßtransmitter
eine Startschaltung angeordnet, die verhindert, daß der Step-up-Wandler das Signal
mit höherer Spannung
ausgibt, bis das Eingangsspannungssignal eine erste Schwellenspannung überschritten
hat. Die Startschaltung verhindert, daß der Step-up-Wandler während des Initialisierens oder des
Einschaltens des Transmitters übermäßige Strommengen
zieht.
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Gemäß einem
anderen Aspekt steuert die Startschaltung einen Schalter zum selektiven
Verbinden des Step-up-Wandlers mit analogen Komponenten. Die Startschaltung
steuert den Schalter so, daß das
Signal mit der höheren
Spannung nur dann für die
Spannungsversorgung der analogen Komponenten verwendet wird, nachdem
der Spannungswert des Eingangsspannungssignals eine zweite Schwellenspannung überschritten
hat. Die zweite Schwellenspannung ist größer als die erste Schwellenspannung.
Die Startschaltung verhindert, daß der Step-up-Wandler mit einer
Last verbunden wird, bevor das Eingangsspannungssignal die zweite Schwellenspannung überschritten
hat, um den Leistungsgrad des Step-up-Wandlers zu erhöhen.
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Noch
andere Aspekte beinhalten eine Startschaltung oder Schaltungen,
die sowohl verhindern, daß die
Startschaltung das Signal mit höherer
Spannung ausgibt, bis das Eingangsspannungssignal die erste Schwellenspannung überschritten
hat, als auch den Schalter steuern, um das Signal mit höherer Spannung
nur dann mit den analogen Komponenten zu verbinden, nachdem das
Eingangsspannungssignal die zweite Schwellenspannung überschritten
hat.
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1 zeigt
ein Diagramm eines Prozeßsteuerungssystems
zum Darstellen der Umgebung von Ausführungsformen der Erfindung;
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2 zeigt
ein Blockdiagramm zum Darstellen der Schaltungsstruktur einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Prozeßtransmitters.
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3 zeigt
ein Blockdiagramm zum ausführlicheren
Darstellen der Schaltungsstruktur des Prozeßtransmitters von 2;
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4 zeigt
ein Blockdiagramm zum Darstellen der Schaltungsstruktur einer anderen
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Prozeßtransmitters;
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5 zeigt
ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen einer Implementierung der
in 4 dargestellten Startschaltung;
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6 zeigt
ein Zeitdiagramm zum Darstellen der Arbeitsweise der in 4 dargestellten
Startschaltung;
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7 zeigt
ein Blockdiagramm zum Darstellen der Schaltungsstruktur einer anderen
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Prozeßtransmitters;
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8 zeigt
ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen der Implementierung der in 7 dargestellten
Startschaltung;
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9 zeigt
ein Zeitdiagramm zum Darstellen der Arbeitsweise der in 7 dargestellten
Startschaltung;
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10 zeigt
ein Blockdiagramm zum Darstellen einer anderen Implementierung der
in 7 dargestellten Schaltungsstruktur eines Prozeßtransmitters;
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11 zeigt
ein Blockdiagramm zum Darstellen der Schaltungsstruktur einer anderen
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Prozeßtransmitters;
und
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12 zeigt
ein Zeitdiagramm zum Darstellen der Arbeitsweise der in 11 dargestellten Startschaltung.
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Die
erfindungsgemäßen Prozeßtransmitter werden
anhand der folgenden ausführlichen
Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. In
der folgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen sind bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt. Für Fachleute
ist jedoch offensichtlich, daß innerhalb
des durch die beigefügten
Patentansprüche
definierten Schutzumfangs der Erfindung Änderungen in Form und Detail
vorgenommen werden können.
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1 zeigt
ein Diagramm zum Darstellen eines Prozeßtransmitters 100,
der in einer Umgebung betrieben wird, in der er an einem Prozeßfluidbehälter, z.
B. einem Rohr 110, montiert ist. Der Transmitter 100 empfängt direkt
ein Prozeßfluid über ein
Impulsrohr 112 oder ähnliche
Verbindungen mit dem Prozeßfluidbehälter bzw.
ist direkt über
ein Impulsrohr 112 oder ähnliche Verbindungen mit dem
Prozeßfluidbehälter verbunden.
Vom Prozeßfluid
bestimmt der Transmitter 100 einen mit dem Prozeßfluid in
Beziehung stehenden Parameter und setzt ein Signal mit dem Prozeßparameter
in Beziehung. Der Transmitter 100 ist mit einer Prozeßschleife 120 verbunden
und überträgt das Signal
und/oder andere mit dem Prozeßfluid
in Beziehung stehende Informationen über die Schleife 120 zu
einem Steuer- oder Kontrollraum 130 oder zu anderen Vorrichtungen (nicht
dargestellt), die mit der Prozeßschleife 120 verbunden
sind. Der Kontrollraum weist eine Spannungsversorgung 132 und
ein Kommunikationssystem 134 auf.
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Der
Transmitter 100 kann ein Zweidraht-, ein Dreidraht-, ein
Vierdraht- oder ein andersartiger Transmitter sein. Ein Standardausgangssignal
für Zweidraht-Transmitter
ist ein 4–20
mA- oder ein 10–15
mA-Gleichstromsignal. Vierdraht-Transmitter können auch
Nullbasis-Spannungssignale bereitstellen. Am gebräuchlichsten
sind Gleichspannungssignale von 0–5 V. Dreidraht-Transmitter
können
auch ein 4–20
mT-, ein 10–50
mA-Gleichstromsignal oder ein Nullbasis-Signal bereitstellen.
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Zweidraht-Transmitter
weisen nur zwei mit dem Transmitter verbundene Drähte oder
Leitungen auf, die sowohl für
die Spannungsversorgung des Transmitters als auch für die Kommunikation
mit dem Transmitter verwendet werden. Zweidraht-Transmitter erfordern eine externe Gleichspannungsversorgung,
z. B. eine Spannungsversorgung 132 im Kontrollraum 130.
Dreidraht-Transmitter erfordern ebenfalls eine externe Gleichspannungsversorgung,
wobei eine Leitung für
das Signal (Kommunikation) und für
die Spannungsversorgung gemeinsam verwendet wird. Vierdraht-Transmitter
weisen zwei Leitungen für Kommunikationen
und zwei Leitungen für
die Spannungsversorgung auf. Eine typische Spannungsanforderung
eines Vierdraht-Transmitters ist 115 V Wechselspannung, wobei der
Transmitter einen eingebauten Transformator, einen Gleichrichter
und einen Regler aufweist.
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Die
Prozeßschleife 120 führt dem
Prozeßtransmitter 100 ein
Spannungssignal von der Spannungsversorgung 132 zu. Eine
Prozeßschleife
hat eine Prozeßschleifenkonfiguration,
gemäß der durch zwei
oder mehr Leiter Kommunikationen für Vorrichtungen in der Schleife
bereitgestellt werden. Daher kann die Prozeßschleife 120 gemäß Prozeßkommunikationsprotokollen
betreibbar sein, wie beispielsweise dem Low-Speed Feldbus-Protokoll (H1), dem High-Speed
Feldbus-Protokoll (H2), dem HART®-Protokoll,
oder anderen geeigneten Protokollen, durch die digitale Informationen über eine
Prozeßschleife übertragen
werden.
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Die 2 und 3 zeigen
Blockdiagramme zum Darstellen verschiedener Detailansichten des
Prozeßtransmitters 100.
Der Prozeßtransmitter 100 weist
einen Spannungsregler 210, digitale Komponenten 220,
einen Step-up-Wandler 230 und analoge Komponenten 240 auf.
Wie in 3 dargestellt, kann der Transmitter 100 ein
Elektronikmodul 610 und ein Sensormodul 620 aufweisen,
die elektronisch miteinander verbunden sind. Der im Elektronikmodul 610 angeordnete
Spannungsregler 210 kann ein beliebiger Baustein sein,
kann aus beliebigen Bausteinen gebildet oder eine Schaltung sein,
die dazu geeignet ist, ein Spannungssignal zu empfangen und in Antwort
darauf ein Signal 215 mit einer ersten Spannung zu erzeugen.
Beispielsweise kann der Spannungsregler 210 ein Step-up-oder ein Step-down-Wandler
sein, z. B. ein linearer Regler, oder ein andersartiger Schaltspannungsregler.
In Zweidraht-Ausführungsformen
empfängt
der Spannungsregler 210 das Spannungssignal über die
Prozeßschleife 120 und
erzeugt ein erstes Signal 215 basierend aud dem empfangenen
Spannungssignal. Der Spannungsregler 210 kann das Signal 215 mit der
ersten Spannung ausgeben, wenn die dem Spannungsregler zugeführte Spannung
größer ist
als eine typischerweise als Lift-off-Spannung
bezeichnete minimale Spannung. Eine typische Lift-off-Spannung für einen
Prozeßtransmitter
beträgt
z. B. 11 V.
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Für den Empfang
des Spannungssignals von der Prozeßschleife 120 kann
der Spannungsregler 210 mit der Prozeßschleife direkt elektrisch
verbunden sein, oder er kann über
eine Kommunikationsschaltung oder eine andere Schaltung mit der
Prozeßschleife
verbunden sein. Der Ausdruck ”elektrisch
verbunden” bezeichnet
sowohl eine direkte elektrische Verbindung als auch eine elektrische
Verbindung über
andere Komponenten. Die erste Spannung des Signals 215 kann
eine erste Gleichspannungs-Versorgungsspannung oder eine Rail-Spannung sein. Eine
Versorgungs- oder Rail-Spannung ist eine positive oder negative
Gleichspannung maximaler Größe oder
Amplitude, die für
verschiedene IC-Bausteine als Betriebsspannung erforderlich ist. In
einer Ausführungsform
beträgt die
Größe der Spannung
des Signals 215 etwa 3,5 V oder weniger. Die Spannung des
Signals 215 ist die für
die bestimmten, im Prozeßtransmitter
verwendeten digitalen Komponenten 220 erforderliche Versorgungsspannung.
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Die
digitalen Komponenten 220 sind mit dem Spannungsregler 210 verbunden,
um Spannung vom Signal 215 zu empfangen. Die digitalen
Komponenten 220 sind IC- oder andere Bausteine, die dazu
geeignet sind, Versorgungsspannungen und digitale (zwei Zustände) logische
Eingangssignale zu empfangen und digitale logische Ausgangssignale
zu erzeugen. Die digitalen Komponenten 220 können beispielsweise
Mikroprozessoren 220A, digitale Signalprozessoren (nicht
dargestellt), Modems und andere Kommunikationsschaltungen 220B,
nichtflüchtige und
RAM-Speicherbausteine 220C und 220D und andere
digitale Schaltungen im Elektronikmodul 610 aufweisen.
Die digitalen Komponenten 220 können auch einen oder mehrere
Mikroprozessoren 220E oder eine andere digitale Schaltung
im Sensormodul 620 aufweisen.
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Der
Step-up-Wandler 230 ist ein beliebiger einer breiten Vielfalt
von Schaltreglern, die in der Lage sind, ein Ausgangssignal mit
einer Spannung zu erzeugen, die größer ist als seine Eingangs-
oder Zuführspannungen.
Der Step-up-Wandler 230 ist
mit dem Spannungsregler 210 elektrisch verbunden und empfängt das
Signal 215 als Eingangssignal und gibt ein Signal 235 mit
einer zweiten Spannung aus. Die zweite Spannung ist größer als
die erste Spannung. Die Spannung des Signals 235 kann eine
zweite Gleichspannungs-Versorgungsspannung
von beispielsweise 5 V sein. Wie in 3 dargestellt,
ist, wenn der Transmitter 100 separate Sensor- und Elektronikmodule
aufweist, der Step-up-Wandler 230 vorzugsweise im Sensormodul 620 angeordnet. Durch
Einfügen
des Step-up-Wandlers 230 im Sensormodul 620 wird
die Anzahl der zwischen den Modulen 160 und 620 erforderlichen
elektri schen Verbindungen reduziert. In anderen Ausführungsformen kann
der Wandler 230 jedoch im Elektronikmodul 610 angeordnet
sein.
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Der
Step-up-Wandler 230 kann beispielsweise als Step-up-Wandler-IC implementiert
sein, der durch MAXUM hergestellt und unter der Teilenummer MAX756ESA
verkauft wird. Es können
beliebige einer Vielzahl anderer kommerziell erhältlicher Step-up-Wandler verwendet
werden. Die Step-up-Wandler sind häufig in der Lage, das Signal 235 mit
der zweiten Spannung unter Verwendung eines Eingangsspannungsbereichs
zu erzeugen. Dadurch kann die Spannung des Signals 215 gegebenenfalls
geändert
werden, um neue, bei niedrigerer Spanung betreibbare digitale Komponenten
zu integrieren, ohne daß die
analogen Komponenten des Prozeßtransmitters 100 vollständig umkonstruiert werden
müssen.
Beispielsweise kann der Step-up-Wandler 230 in einigen
Ausführungsformen unter
Verwendung eines Eingangssignals 215 mit einer beliebigen
Spannung innerhalb eines Bereichs zwischen 1,5 V und 5 V ein Ausgangssignal 235 mit einer
Spannung von 5 V bereitstellen. Es sind noch breitere Spannungsbereiche
möglich.
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Die
analogen Komponenten 240 sind mit dem Step-up-Wandler 230 elektrisch
verbunden, um Spannung vom Signal 235 mit der höheren Spannung
zu empfangen. Die analogen Komponenten 240 sind ICs, diskrete
elektrische Bauteile und Schaltungen, die in der Lage sind, eine
im wesentlichen stufenlos variable Ausgangsspannung zu erzeugen. Die
analogen Komponenten 240 weisen beispielsweise A/D-Wandler 240A,
Prozeßsensoren 240B, Transmittertemperatursensoren 240C,
Transistoren (nicht dargestellt) und Operationsverstärker (nicht dargestellt)
auf. Durch Einfügen
des Step-up-Wandlers 230 zum Bereitstellen des Signals 235 mit
der höheren
Spannung können
bei niedrigerer Spannung betreibbare digitale Kompo nenten 220 verwendet werden,
während
die Leistung der analogen Komponenten 240 zunimmt.
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4 zeigt
ein Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform eines Prozeßtransmitters 300. Ähnlich wie
der Prozeßtransmitter 100 weist
der Prozeßtransmitter 300 einen
Spannungsregler 210, digitale Komponenten 220,
einen Step-up-Wandler 230 und
analoge Komponenten 240 auf. Der Prozeßtransmitter 300 weist
außerdem
eine Startschaltung 310 auf, die mit dem Spannungsregler 210 elektrisch verbunden
ist, um ein erstes Signal 215 zu empfangen. Die Startschaltung 310 ist
mit dem Spannungsregler 210 elektrisch verbunden, indem
ihr Eingang direkt oder über
andere elektrische Komponenten mit dem Ausgang des Spannungsreglers 210 verbunden ist,
der das erste Signal 215 ausgibt.
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Die
Startschaltung 310 ist außerdem mit dem Step-up-Wandler 230 elektrisch
verbunden, um den Step-up-Wandler zu aktivieren, nachdem die Spannung
des Signals 215 eine erste vorgegebene Schwellenspannung überschritten
hat. Die Startschaltung 310 ist mit dem Step-up-Wandler 230 elektrisch
verbunden, indem ein Ausgang der Startschaltung mit einem Eingang
des Step-up-Wandlers elektrisch verbunden ist. Die Verbindung kann
eine direkte Verbindung sein oder über andere Komponenten, z.
B. Widerstände,
Kondensatoren und Puffer, hergestellt sein.
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Obwohl
die Spannung des ersten Signals 215 in einem Dauer- oder
Beharrungszustand eine konstante Gleichspannung ist, wird die Spannung des
ersten Signals 215 nach dem Einschalten des Transmitters 300 eine
Zeitdauer benötigen,
um auf die erste Spannung anzusteigen oder abzusinken. Die Startschaltung 310 aktiviert
den Step-up-Wandler 230 durch Ändern eines Shut-down- oder
Begrenzungssignals 320, sobald die Spannung des ersten Signals 215 eine
Schwellenspannung von z. B. 2,7 V überschritten hat. Dadurch wird
gewährlei stet,
daß der
Step-up-Wandler 230 das zweite Signal 235 nicht ausgibt,
bis die Spannung des Signals 215 den vorgegebenen Minimalwert
der ersten Schwellenspannung erreicht hat. Der vorgegebene Minimalwert
der ersten Schwellenspannung ist die minimale Eingangsspannung des
Step-up-Wandlers 230, die erforderlich ist, um den durch
den Step-up-Wandler gezogenen Strom auf den maximalen gewünschten Stromwert
zu begrenzen. Die Schwellenspannung, bei der die Startschaltung 310 den
Step-up-Wandler 230 aktiviert, kann eine beliebige Spannung
in einem weiten Bereich geeigneter Spannungen sein.
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Die
Startschaltung 310 kann unter Verwendung einer breiten
Vielfalt von Schaltungen und Bausteinen implementiert werden. Beispielsweise
ist die Startschaltung 310 in einigen Ausführungsformen
ein Einschaltrücksetz-(POR)IC.
Einschaltrücksetzvorrichtungen
werden auch häufig
als Mikroprozessorüberwachungsvorrichtungen
bezeichnet. Daher kann die Startschaltung 310 beispielsweise
ein von MAXUM unter der Teilenummer MAX821 verkaufter Einschaltrücksetz-IC
sein.
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5 zeigt
ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen einer anderen möglichen
Implementierung der Startschaltung 310. Wie in 5 dargestellt, kann
die Startschaltung 310 ein Operationsverstärker 350 sein,
der als Vergleicher verwendet wird, und dem an einem ersten und
an einem zweiten Eingang das erste Signal 215 bzw. die
erste Schwellenspannung zugeführt
wird. Das Ausgangssignal des Vergleichers ist das Begrenzungssignal 320.
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6 zeigt
ein Zeitdiagramm zum Darstellen der Arbeitsweise der Startschaltung 310.
Zu einem Zeitpunkt t0 wird der Prozeßtransmitter
eingeschaltet, und eine durch den Spannungsregler 210 bereitgestellte
erste Spannung 215 beginnt anzusteigen. Während die
erste Spannung 215 ansteigt, bleibt das Begrenzungssignal
in einem logischen Zustand ”Null”. Zu einem
Zeitpunkt t1 überschreitet die erste Span nung 215 die
erste Schwellenspannung, und das Begrenzungssignal 320 ändert seinen
Wert auf den logischen Zustand ”Eins”, wodurch
der Step-up-Wandler 230 aktiviert wird, um das zweite Signal 235 zu
erzeugen. Die Startschaltung und der Step-up-Wandler können auch
so konstruiert sein, daß der
Step-up-Wandler stattdessen durch den Übergang des Signals 320 auf
den logischen Zustand ”Null” aktiviert
wird.
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7 zeigt
ein Blockdiagramm eines Prozeßtransmitters 400.
Die 8–10 zeigen
Diagramme zum Darstellen von Details der Implementierung und der
Arbeitsweise des Transmitters 400. Ähnlich wie die Prozeßtransmitter 100 und 300 weist der
Prozeßtransmitter 400 einen
Spannungsregler 210, digitale Komponenten 220,
einen Step-up-Wandler 230 und analoge Komponenten 240 auf.
Der Prozeßtransmitter 400 weist
außerdem einen
Schalter 420 und eine Startschaltung 410 auf. Wenn
der Schalter 420 selektiv aktiviert wird, verbindet er
die analogen Komponenten 240 elektrisch mit dem Step-up-Wandler 230,
so daß die
analogen Komponenten Spannung vom zweiten Signal 235 empfangen
können.
Der Schalter 420 kann ein beliebiger einer breiten Vielfalt
von Vorrichtungen mit zwei Anschlüssen sein, jeweils einem Anschluß für eine Verbindung
mit dem zweiten Signal 235 bzw. mit dem Eingang der analogen
Komponenten 240. Der Schalter 420 muß auch einen
dritten Eingang zum Empfangen eines Lastfreigabesignals 430 von
der Startschaltung 410 aufweisen. Der Schalter 420 kann
z. B. ein Halbleiterschaltbaustein, ein Transistornetz oder ein
beliebiger einer breiten Vielfalt anderer Schaltungstypen sein.
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Die
Startschaltung 410 ist mit dem Spannungsregler 210 elektrisch
verbunden, um das erste Signal 215 zu empfangen. Die Startschaltung 410 ist außerdem mit
dem Schalter 420 elektrisch verbunden, um den Schalter
zu aktivieren, nachdem die Spannung des Signals 215 eine
zweite Schwellenspannung überschritten
hat, die von der unter Bezug auf den Transmitter 300 beschriebenen
ersten Schwellenspannung verschieden ist. Beispielsweise kann die
Startschaltung 410 den Schalter 420 durch Ändern eines
Lastfreigabesignals 430 aktivieren, wenn die Spannung des
ersten Signals 215 eine zweite Schwellenspannung von 3,0
V überschritten hat.
Bevor die Spannung des ersten Signals 215 die zweite Schwellenspannung überschreitet,
hält der Schalter 420 die
analogen Komponenten vom Step-up-Wandler 230 getrennt.
Dies ermöglicht
es dem Step-up-Wandler 230, seine volle Ausgangsspannung
effizient zu erreichen, bevor eine Verbindung mit einer Schaltungslast
hergestellt wird. Die zweite Schwellenspannung wird so ausgewählt, daß, indem
die analogen Komponenten 240 nur dann mit dem Step-up-Wandler 230 verbunden
werden, wenn die Spannung des ersten Signals 215 den zweiten Schwellenwert überschritten
hat, ein geeigneter Einschaltvorgang und ein Betrieb des Step-up
Wandlers mit hohem Leistungsgrad gewährleistet sind. Die Schwellenspannung,
bei der die Startschaltung den Schalter 420 aktiviert,
kann eine beliebige Spannung innerhalb eines breiten Spannungsbereichs
sein.
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9 zeigt
ein Zeitdiagramm zum Darstellen der Arbeitsweise der Startschaltung 410 vom
Zeitpunkt t0, an dem der Prozeßtransmitter
eingeschaltet wird, bis zum Zeitpunkt t2,
an dem die erste Spannung 215 die zweite Schwellenspannung überschreitet.
Wie in 9 ersichtlich ist, bleibt das Lastfreigabesignal 430 im
Zustand eines logischen Nullpegels, bis die erste Spannung 215 zum
Zeitpunkt t2 die zweite Schwellenspannung überschreitet.
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8 zeigt
eine mögliche
Schaltungsimplementierung der Startschaltung 410. Wie in 5 dargestellt,
kann die Startschaltung 410 einen Operationsverstärker 360 aufweisen,
der als Vergleicher zum Vergleichen des ersten Signals 215 mit
einer zweiten Schwellenspannung konfiguriert ist. Das Ausgangssignal
des Operationsverstärkers 360 ist das
Lastfreigabesignal 430. Es kann eine breite Vielfalt anderer
Implementierungen der Startschaltung 410 verwendet werden.
Beispielsweise kann die Startschaltung 410 gemäß einer
in 10 dargestellten bevorzugten Ausführungsform
unter Verwendung eines im Step-up-Wandler 230 eingebauten Vergleichers
implementiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dieser Teil
der Startschaltung unter Verwendung eines eingebauten Vergleichers
des MAXUM-Step-up-Wandler-IC,
Teilenummer MAX756ESA, implementiert.
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11 zeigt
ein Blockdiagramm eines Prozeßtransmitters 500.
Der Prozeßtransmitter 500 ist dem
Prozeßtransmitter 400 ähnlich,
er weist jedoch an Stelle der Startschaltung 410 eine Startschaltung 510 auf.
Die Startschaltung 510 implementiert die Funktionen sowohl
der in 3 dargestellten Startschaltung 310 als
auch der in den 7, 8 und 10 dargestellten
Startschaltung 410. Das Zeitdiagramm in 12 zeigt
die Arbeitsweise der Startschaltung 510. Die Startschaltung 510 ist
mit dem Spannungsregler 210 elektrisch verbunden, um das erste
Signal 215 zu empfangen, und ist mit dem Step-up-Wandler 230 verbunden,
um den Step-up-Wandler
zu aktivieren, nachdem die Spannung des ersten Signals 215 eine
erste Schwellenspannung überschritten
hat. Ähnlich
wie die Startschaltung 310 aktiviert die Startschaltung 510 den Step-up-Wandler 230 durch Ändern der
Begrenzungssignals 320, wenn die Spannung des ersten Signals 215 die
erste Schwellenspannung überschritten
hat. Die erste Schwellenspannung kann beispielsweise 2,7 V betragen.
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Die
Startschaltung 510 ist außerdem mit dem Schalter 420 elektrisch
verbunden, um den Schalter zu aktivieren, nachdem die Spannung des
ersten Signals 215 eine zweite Schwellenspannung überschritten
hat. Ähnlich
wie die Start schaltung 410 aktiviert die Startschaltung 510 den
Schalter 420 durch Ändern
des Lastfreigabesignals 430, wenn die Spannung des ersten
Signals 215 die zweite Schwellenspannung von beispielsweise
3,0 V überschritten
hat. Im Prozeßtransmitter
kann das erste Signal den digitalen Komponenten vor, während oder
nach der Erzeugung des zweiten Signals zugeführt werden.
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Die
Startschaltung 510 kann unter Verwendung einer breiten
Vielzahl von IC-Bausteinen oder individueller Schaltungen implementiert
werden. Beispielsweise kann die Startschaltung 510 unter
Verwendung einer Kombination der in den 5 und 8 dargestellten
Vergleicher implementiert werden, die die Spannung des ersten Signals 215 mit
einer jeweils anderen Schwellenspannung vergleichen. Wie im Transmitter 400 kann
der Lastfreigabesignalerzeugungsabschnitt der Startschaltung 510 unter
Verwendung eines im Step-up-Wandler 230 eingebauten
Vergleichers implementiert werden. Beispielsweise kann dieser Abschnitt
der Startschaltung unter Verwendung eines eingebauten Vergleichers des
MAXUM Step-up-Wandler-IC, Teilenummer MAX756ESA, implementiert werden.
Alternativ kann das Lastfreigabesignal unter Verwendung einer diskreten
Schaltung erzeugt werden.