专利名称：用于电子设备的电压保护装置的制作方法
用于电子设备的电压保护装置
本发明涉及一种用于电子设备的电压保护装置，例如用于自动化 技术中控制器的电压保护装置。
电子设备，尤其是自动化技术中的控制器，需要特定的DC电压供 给，该DC电压供给的值仅允许在特定的范围之内波动。如果供给电压 在预给定的电压范围之外，那么这将导致电子设备中的错误，例如控 制器接通错误或虚假报告，或者甚至会导致损坏电子设备。损坏电子 设备或电子设备的构件可尤其在存在过电压时出现。此外，由现有技 术已知，敏感及高质量的电子设备借助于过压保护装置来保护其免于 受到有害的过电压损坏。
另夕卜，在本发明中电压保护装置主要应用的DC电压范围中，在实 际当中，迄今为止应用包括保险装置(Sicherung)和齐纳二极管或抑制 二极管(Suppressordiode)的过压保护电路。如果此类过压保护电路上存 在过电压，这导致通常构造为保险丝的保险装置断开，要保护的电子 设备由此与电压供给分离。过压保护电路起作用时过电压的值，可通 过选择合适的齐纳二极管或抑制二极管来确定。
此类过压保护电路的原理性缺点在于，用于保护串联的电子设备 的保险装置在过压情况下-如所期望地-被损坏，使得在消除过电压之 后所述要保护的电子设备也与电压供给分离。所述电子设备在修复过 压保护电路之后，也即更换过保险装置后才再次起作用。
在过去几年中，安全技术在机械制造和设施制造中意义重大。因 此，对于控制器的电压保护和故障保护和其它安全相关的电子设备有 额外的要求。尤其要求机械和设施在故障状况下可转变到安全状态， 以避免人或环境受到危险。此外常常希望，在出现错误时，例如过电 压，不仅关断要保护的电子设备，而且也报告错误。发明的目的在于，提供用于电子设备的电压保护装置，尤其是用 于自动化技术中的控制器的电压保护装置，其具有较强的功能性并且 由此具有较大的应用范围。
根据本发明，此目的实现如下，即前文所述的电压保护装置具有 断路单元和与断路单元的输出端连接的电压识别单元，其中断路单元 具有电压比较器和与电压比较器的输出端连接、设置在断路单元的输 入端和输出端之间且在通常情况下闭合的电气开关，其中电压识别单 元具有电压比较器和与电压比较器的输出端连接以用于报告不允许
的电压的开关或信号输出端(Schalt-bzw. Signalausgang)，其中当断i 各
在允许的电压U2时再次闭合开关。
根据本发明的电压保护装置的特征首先在于，其在功能上具有至 少两级，断路单元和电压识别单元，其中断路单元的任务主要在于出 现不允许的电压时关断所述要保护的电子设备，而电压识别单元的任 务主要在于，在出现不允许的电压时，通过开关或信号输出端来指示 出现不允许的电压。
断路单元的基本优点在于，不是通过保险装置而是通过电子开关 来实现对要保护的电子设备的关断。这首先导致，在消除不允许的电 压之后可再次闭合开关，使得可向所述要保护的电子设备再次供给允 许的操作电压。因而，在出现不允许的电压时不需要干涉服务 (Serviceeingriff)，因为断路单元"自行，，处理。 一旦断路单元的电压 比较器确定在其输入端上再次存在允许的电压，则再次闭合电气开 关，由此在要保护的电子设备上同样再次存在允许的电压。此外，晶 体管，尤其是场效应晶体管或继电器可用作电子开关。
由此，除了断路单元，根据本发明的电压保护装置也具有电压识 别单元，因而也可指示不允许的电压的存在。在此，通过在电压识别 单元上构造的开关或信号输出端，可在识别不允许的电压时激活安全 功能。同样也可以通过开关或信号输出端向上级控制器报告或在要保护的控制器的多通道(mehrkanalig)结构时向控制器的另 一通道报告。
#>据本发明的优选设计，电压识别单元额外具有测试级，通过该 测试级可测试电压识别单元的电压比较器的功能并测试与其连接的 开关或信号输出端的功能。通过测试级，可在电压比较器的输入端处 施加电压，该电压的值在允许的范围之外。如果电压识别单元的电压 比较器和开关或信号输出端处于无误状态，那么这导致在开关或信号 输出端上的相应输出信号，该信号可由测试级或单独的识別单元确 定。在要保护电子设备(例如控制器)的优选的两条通道或多通道的实 施例中，由第二通道的CPU既引起电压比较器上的测试电压也评估由 此获得的开关或信号输出端上的输出信号。
首先实施如下，即，将根据本发明的电压保护装置构造为至少两 级，也即具有断路单元和电压识别单元。根据优选的设计，电压保护 装置额外还具有作为粗保护的过压保护单元，其与断路单元的输入端
连接，使得电压保护装置共构造成三级。此外，构造过压保护单元， 使得其自过电压开始才起动，该过电压明显大于要保护的电子设备的
压。这导致， 一方面在可由断路单元"处理，，的较小过电压时过压保 护单元-按要求-不起作用，另一方面使得在相应的大的过电压损坏之 前保护断路单元和也要保护的电子设备。总而言之，由此可提供可在 大的电压范围中应用的电压保护装置。
过压保护单元可简单地通过保险装置和过压保护元件，尤其是抑 制二极管或齐纳二极管来实现。通过相应地选择过压保护元件，可确 定某个过电压，自该过电压起过电压保护单元起作用，也可确定断路 单元在其内工作的电压范围。本领域技术人员选择所述过压保护元 件，使得断路单元通常在出现较小的过电压时关断，而过压保护单元 的保护仅在出现极大的过电压时起作用。
根据本发明的电压保护装置的其它优选设计，构造断路单元的电 压比较器，使得其具有滞后作用。如此调节(beschalten)电压比较器，当中，电压比较器的比较器阈值的调整可简单地通过由电阻实现的分 压器来进行，其中构造分压器，使得在接通电压比较器之后分压器的 支路与电阻并联，由此改变分压器的比较器阈值。由此，防止电路振 荡，使得电子开关在过电压时不会持续打开和闭合，该过电压相应于 电压比较器的第一比较器阈值。电子开关打开时的电压U,和电子开关 再次闭合时的电压U2之间的差别仅达几个百分点。
利用由现有技术已知的过压保护电路(其包括保险装置和齐纳二 极管)，仅可实现对串联的电子设备的过电压保护，利用根据本发明的 电压保护装置也可检测低电压并且引入相应的措施。为此，断路单元 具有两个电压比较器，其中第一电压比较器为确定低电压而设置，而 第二电压比较器用为确定过电压而设置。第一电压比较器的输出端与 第二电压比较器的输入端连接并且第二电压比较器的输出端与电气 开关连接。由此保证，仅当要供给到要保护的电子设备的电压在允许 的范围时，电气开关才闭合并因此将该电压供给到所述要保护的电子 设备。在小于第一电压比较器的比较器阈值或大于第二电压比较器的 比较器阈值的电压时，通过电子开关关断所述要保护的电子设备。此
外，通过两个电压比较器彼此的错接(Verschaltung)来实现如下第二 电压比较器在第一电压比较器处存在的电压大于通过比较器阈值设 置的低电压的比较值时才处于激活状态。
与断路单元一样，电压识别单元也可具有两个电压比较器，使得 可检测低电压和过电压并且通过开关输出端报告。此外，具有两个电 压比较器的电压识别单元也可用于对两个不同的电压进行有关过电 压的监视。这在所述要监视的电子设备具有微处理器时是有利的，其 中该微处理器需要内核电压(core-spannung),该内核电压小于使用处 理器的电子设备的实际供给电压，以处理其I/0功能。在这种情况下， 电压识别单元的两个电压比较器不是串联的，而是不依赖于彼此地构造。开始时实施如下，在根据本发明的电压保护装置中断路单元和电 压识别单元具有电压比较器。基本上，存在以下可能，即对于断路单 元和电压识别单元可应用一个相同的电压比较器。为了保持电压保护 装置的两级的独立性，优选设置为，断路单元和电压识别单元分别具 有各自的电压比较器或单独的电压比较器，它们也可分别利用各自的 参考电压。两级电压比较器的参考电压优选分别由参考电压二极管导 出。
详细地，存在设计和改进根据本发明电压保护装置的许多可能。 这可由权利要求l的从属权利要求和下面结合附图所述的优选实施例 给出。其中
图1示出了才艮据本发明的电压保护装置的第 一 实施例的方块图， 图2示出了根据本发明电压保护装置的断路单元的第二实施例的 方块图，以及
图3示出了根据本发明的电压保护装置的其它实施例的方块图。
图1示出了根据本发明的电压保护装置1的方块图，其中该电压保
护装置1具有断路单元2、与断路单元2的输出端3连接的电压识别单元 4和过压保护单元18。借助于电压保护装置l来保证，当供给电压位于 允许的边界之内时，电压保护装置1的输入端5处的供给电压VCC才供 电压保护装置1的输出端6处连接的电子设备使用。
出端8连接且设置在断路单元2的输入端9和输出端3之间的电子开关 10。其中，电子开关10优选地构造为场效应晶体管。如果断路单元2
界值之下，那么闭合开关IO,使得连接在电压保护装置1的输出端6上 的电子设备可利用允许的供给电压。
连接以用于报告不允许的电压的开关输出端或信号输出端14。此外， 电压识别单元4还设有测试级15,通过测试级l5可测试电压比较器12的功能并因而测试与其连接的开关输出端或信号输出端14的功能。在
此，可由测试级15在电压比较器12的输入端16处施加过电压，该过电 压大于电压比较器12的参考输入端17处的参考电压。由此，当电压比 较器12工作无误时，在开关或信号输出端14处产生指示过电压的开关 信号，通过该开关信号的估算确定，电压比较器12和开关或信号输出 端14是否适当地起作用。
如开始实施的那样，除了断路单元2和电压识别单元4，电压保护 装置1还具有过压保护单元18，其输出端19与断路单元2的输入端9连 接。用作粗保护的过压保护单元18的输入端同时构造电压保护装置1 的输入端5。在图l所示的实施例中，过压保护单元18具有保险装置20 和作为过压保护元件的抑制二极管21。如果单向抑制二极管或齐纳二 极管应用为过压保护元件，那么过压保护单元l8同时也用作电压保护 装置1的反极性保护并因而也用作所述要保护的电子设备的反极性保 护。
电压比较器7的参考输入端11处的参考电压优选由参考电压二极 管22导出。相应地，参考电压二极管23用于产生电压比较器12的参考 输入端17处的参考电压。然而，参考电压二极管基本上既可应用为断 路单元2的电压比较器7又可用于电压识别单元4的电压比较器12。
根据本发明的电压保护装置l的主要优点在于，当存在不允许的 电压时，通过电子开关10关断要保护的电子设备，只要该电压一直小 于过压保护单元18的起动电压。通过电压比较器7来操作电子开关10 以保证，在消除不允许的电压之后电气开关10再次闭合，使得所述电 子设备-不许为此干涉服务-再次位于供给电压上。此外，通过构造电 压识别单元4既可在运行期间通过开关或信号输出端14才艮告不允许的 电压又可对电压保护装置l进行功能测试，因为可在不影响电子开关 IO的情况下进行功能测试。
如果根据本发明的电压保护装置l用于保护自动化技术中的控制 器，那么当控制器的供给电压达例如3.4 V(士5。/。)时，单个单元或构件可具有如下的值。为保护此类控制器，过压保护单元18具有6.7V的抑 制二极管21。电压比较器7打开开关10时的电压U,达3.835 V,其中连 接电压比较器7的方式使得其在电压U2小于3.75 V时才再次闭合开关 10。通过实现此类滞后作用，防止电路振荡并因而防止开关10持续打 开和闭合。
显然，根据本发明的电压保护装置1也可用于保护其它电子设备， 其具有另一供给电压。例如在自动化技术的电子设备时，供给电压可 达24V。在这种应用情况中，可例如如此构造作为粗保护起作用的过 压保护单元18,使得其在电压明显大于30 V时才起动，而断路单元2 的电压U!大约为30V。
图2示出了电压保护装置1的断路单元2的备选设计。断路单元2的 输出端3-如根据图l的实施例中那样-与电压识别单元4连接。此外，断 路单元2的输入端9也可与过压保护单元18的输出端19连接。与根据图 l的实施例不同的是，图2中所示的断路单元2具有两个电压比较器7、 7',其中第一电压比较器7对供给电压VCC进行有关低电压的监视并且 第二电压比较器7对供给电压VCC进行有关过电压的监视。
通过参考电压二极管22'-或备选应用的分压器-来调整低电压的比 较值，并且通过参考电压二极管22-或备选应用的第二分压器-来调整 过电压的比较值。当供给电压VCC大于所调整的低电压的比较值时， 参考电压二极管22或备选应用的第二分压器才处于激活状态。在此， 第一电压比较器7'的输出端8'-通过参考电压二极管22-与第二电压比 较器7的参考输入端11连接并且第二电压比较器7的输出端8与电气开 关10连接。
图3示出了电压保护装置1的其它设计，其与根据图l的电压保护 装置1的不同之处仅在于电压识别单元4的备选设计。在此，电压识别 单元4具有两个电压比较器12、 12',利用这两个比较器12、 12'可对两 个不同的电压进行有关过电压的监视。此外，电压比较器12'的输出端开关或信号输出端14'，其中两个开关或信号输出端14、 14'也可彼此连 接。
为了测试电压比较器12'，该电压比较器12'也与测试级15'连接， 通过该测试级15'在电压比较器12'的输入端16'处施加过电压，该过电 压大于电压比较器12'的参考输入端17'处存在的参考电压。为了在电压 比较器12'的参考输入端17'处产生参考电压，设有参考电压二极管23'。
显然，可在图3所示的电压保护装置1中，代替仅具有一个电压比 较器7的所示的断路单元2，也可应用根据图2的具有两个电压比较器 7、 7'的断路单元2。此外，在要保护的电子设备(例如控制器)的两条通 道的实施形式时，可由第二通道的CPU既引起电压比较器12、 12'上的 测试电压也评估由此所得的开关或信号输出端14、 14'上的输出信号， 使得在这种情况下可取消单独构造的测试级。
权利要求
1.一种用于电子设备的电压保护装置，例如用于自动化技术中控制器的电压保护装置，所述电压保护装置具有断路单元(2)和与所述断路单元(2)的输出端(3)连接的电压识别单元(4)，其中所述断路单元(2)具有电压比较器(7)和与所述电压比较器(7)的输出端(8)连接、设置在所述断路单元(2)的输入端(9)和输出端(3)之间且在通常情况下闭合的电气开关(10)，其中所述电压识别单元(4)具有电压比较器(12)和与所述电压比较器(12)的输出端(13)连接以用于报告不允许的电压的开关或信号输出端(14)，以及其中在所述断路单元(2)的输入端(9)处存在不允许的电压U1时，打开所述电气开关(10)并且在随后存在允许的电压U2时再次闭合所述开关(10)。
2. 才艮据权利要求l所述的电压保护装置，其特征在于，所述电压 识别单元(4)具有测试级(15),通过所述测试级(15)可测试所述电压识 别单元(4)的所述电压比较器(12)的功能并因而可测试与其连接的开关 或信号输出端(14)的功能。
3. 根据权利要求1或2所述的电压保护装置，其特征在于，设有 作为粗保护的过压保护单元(18)，所述过压保护单元(18)的输出端(19) 与所述断路单元(2)的所述输入端(9)连接。
4，根据权利要求2所述的电压保护装置，其特征在于，所述过压 保护单元(18)具有保险装置(20)和过压保护元件，尤其具有抑制二极管 (21)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电压保护装置，其特征在 于，所述断路单元(2)的所述电压比较器(7)具有滞后作用，其中所述电电压仏
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的电压保护装置，其特征在 于，所述断路单元(2)具有两个电压比较器(7，7'),其中所述第一电压比 较器(7')为确定第一边界电压例如低电压而设置，并且所述第二电压比 较器(7)为确定第二边界电压例如过电压而设置。
7. 根据权利要求6所述的电压保护装置，其特征在于，所述第一 电压比较器(7')的所述输出端(8')与所述第二电压比较器(7)的输入端 (11)连接并且所述第二电压比较器(7)的所述输出端(8)与所述电气开 关(10)连接。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的电压保护装置，其特征在 于，所述电压识别单元(4)具有两个电压比较器(12,12')，利用所述两个
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的电压保护装置，其特征在 于，所述电压识别单元(4)的所述电气开关(10)构造为晶体管，尤其构 造为场效应晶体管或构造为继电器。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的电压保护装置，其特征在(22,23)导出。
11. 根据权利要求1至10中任一项所述的电压保护装置，其特征 在于，所述电压保护装置实施为至少两条通道，其中所述两条通道具 有至少一个断路单元(2)和至少一个与所述断路单元(2)的输出端(3)连 接的电压识别单元(4)。
12. 根据权利要求11所述的电压保护装置，其特征在于，由所 述一条通道的CPU既引起其它通道的电压比较器(12)上的测试电压也 评估由此获得的所述其它通道的开关或信号输出端(14)上的输出信 号。
全文摘要
本文说明并描述了用于电子设备的电压保护装置，尤其是在自动化技术中用于控制器的电压保护装置。由此，电压保护装置由此具有较高的性能并因此也具有较大的应用范围，其中该电压保护装置具有断路单元(2)和与断路单元(2)的输出端(3)连接的电压识别单元(4)，其中断路单元(2)具有电压比较器(7)和与电压比较器(7)的输出端(8)连接、设置在断路单元(2)的输入端(9)和输出端(3)之间且在通常情况下闭合的电气开关(10)，其中电压识别单元(4)具有电压比较器(12)和与电压比较器(12)的输出端(13)连接以用于报告不允许的电压的开关输出端(14)，其中当在断路单元(2)的输入端(9)处存在不允许的电压Ui时打开电气开关(10)，并且当随后存在允许的电压U2时再次闭合开关(10)。
文档编号H02H3/20GK101622765SQ200780048996
公开日2010年1月6日 申请日期2007年12月21日 优先权日2006年12月29日
发明者H·-C·兰德韦尔 申请人:菲尼克斯电气公司