具有电容耦合的信号传输组件的制作方法

本发明涉及一种功能安全的信号传输组件，其包括具有信号源输出端的信号源、具有信号阱输入端以及信号阱输入电容的信号阱，和包括将信号源输出端与信号阱输入端电导连接的通信通道。通信通道有第一信号接头，用于将通信通道与信号源输出端连接；第二信号接头，用于将通信通道与信号阱输入端连接；和至少一个串联在第一信号接头和第二信号接头之间的欧姆电阻，以便将源自信号源的电源信号传输到进入信号阱中的电阱信号。在此，欧姆电阻与信号阱的信号阱输入电容形成具有滤波器极限频率的低通滤波器，该低通滤波器使源信号在传输到阱信号时经过低通滤波。

背景技术：

1、技术装置、系统和设备、运输器件以及复杂的自动化系统的安全方案旨在保护人类和/或环境免受被监控技术系统故障的影响。作为安全方案的重要组成部分在此应提到安全的通信通道，通过该通信通道传输关于使用数据，待监控技术系统的可能的损坏情景、危险或故障的信息。对于探测损坏情景、危险或故障通常使用安全传感器，如光势垒和/或急停开关和/或安全光栅，安全传感器在上下文中也称为安全输出元件或“信号源”。安全传感器优选通过上述安全通信通道与所谓的安全输入元件(下面称为“信号阱”)通信，其中，安全输入元件或者说安全信号阱例如可以实施为能够触发所谓的安全功能，如sto、sso等的控制单元。

2、由于需要将关于新出现或新探测到的危险状况的信息快速且安全地例如传递给信号阱，主题通信和快速以及安全的数据交换在功能安全领域中具有重要意义。然而，对安全通信通道的需求与通常同时存在的对快速的数据传输速率的需求结合地导致更多问题。在上下文中，具有大于1mhz信号频率的信号理解为“快速”，而具有小于1khz信号频率的信号则称为“慢信号”。在这种意义上，用于确保安全通信通道的措施和手段通常与快速的数据传输的希望相冲突。因此，在设计安全通信通道时在许多情况下有意义的是，在故障情况下限制通过安全通信通道传输的电能。为此目的，优选地使用限制和/或缓冲元件，如合适的前置电阻或保护二极管，但这可能会对可实现的数据传输速率产生负面影响。

3、在功能安全领域中，使用欧姆melf电阻(无引脚电阻)尤其受欢迎。melf电阻通常实施为具有两个接头的圆柱形smd构件(表面贴装器件)，其中，所述接头的端面用作与其它元件连接的连接触点。尽管melf电阻通常比以芯片结构形式实施的电阻更大且更贵，但melf电阻仍在多个应用情况下使用，尤其是在功能安全的应用情况中。此外原因在于，melf电阻在特征参量如脉冲负载能力、温度稳定性、耐用性和电压强度以及借助melf电阻在故障情况(保险电阻)中的精确特定性能等方面都能够实现良好的特征值。

4、为了限制通过安全通信通道传输的电能的目的，melf电阻通常串联在通信通道中。melf电阻器的这种使用也被称为相互通信的(通信)元件的“断开”。例如，从(安全)信号源到(安全)信号阱。尽管通过melf电阻以上述方式建立了用于数据交换的连接，上述信号源和信号阱在此通过melf电阻在此意义上断开，使得在如在通信的元件之一中发生短路的故障情况下，限制可传输到对应地其它元件中(即从信号源到信号阱或反之亦然)的电能。名称“信号断开”也常用于这种情景，其中，通过通信通道待传输的信号应理解为信号。上述构思也反映在en13849-2标准中，其中对于melf电阻针对短路故障情况的故障排除被解释为允许的。因此，melf电阻可以考虑用于功能安全领域中的断开。然而，电阻在此应设计成，其在故障情况下也不会过载。此外，这也是melf电阻通常大于1kω的原因。通过借助melf电阻进行断开更多地也可以实现信号源和信号阱之间的无反作用，这在信号源或信号阱出现故障时非常有利的。

5、在安全信号源与安全信号阱之间进行通信时，更多地在信号阱中设置信号驱动器。信号驱动器通常用于在传输电信号时改善传输质量。在当前背景下，出于多种原因使用信号驱动器，以便还确保在信号阱中的限定的输入电容，或以便也能够在通信通道的不同布线时确保尽可能相似的传输条件。信号驱动器例如实施为可以具有运算放大器(opv)或晶体管的放大器电路。然而，如所提到的那样，信号驱动器产生输入电容(“栅极电容”)。

6、所述输入电容正好在使用串联的melf电阻用于断开信号时尤为重要，当然，输入电容不但可以通过使用信号驱动器导致，而且能够由于电子部件在信号阱中的空间上的靠近形成。因此，melf电阻与信号阱的串联(寄生的)输入电容可以形成rc环节。rc环节众所周知构成低通滤波器的可能执行。如果将源自信号源的源信号传输到进入信号阱的阱信号中的通信通道以所描述的方式形成rc环节或者说低通滤波器，则源信号构成进入rc环节或者说低通滤波器中的输入信号，而阱信号构成产生的输出信号。源信号在此经过低通滤波，这尤其带来较高频率的衰减。在许多情况下，对于这种衰减的更详细描述参考低通滤波器的极限频率。

7、如果高的且因此快速的频率被强烈地衰减，则该频率不再能被用于信息传输。因此，频率衰减例如由于低通特性而降低可实现的数据传输速度。

8、一般而言，极限频率描述了传输系统的频率，在超过该频率时，通过输入信号的频率，输出信号的信号幅度下降到一个确定值以下。极限频率的一般理解通常等同于特定的-3db极限频率，在该极限频率时，输出信号的信号幅度因此下降到输入信号的信号幅度的-倍或者说70.7％。

9、通信通道的带宽以及借助该通信通道可实现的数据速率或者说数据传输速度与低通滤波器和从而通信通道的-3db极限频率直接相关。对于通信通道而言，带宽描述了下极限频率和上极限频率之间的间隔的宽度。下极限频率也可以是0hz。在当前背景下，通信通道的0hz至-3db极限频率之间的间隔的宽度被理解为带宽。如由信息技术充分已知的那样，在没有信号或测量噪声如例如白噪声的情况下，最大可实现的、无误差的数据传输速率cn与传输通道的带宽b通过公式cn＝2b相关联。由此可以推导出，带宽越小导致可实现的数据传输速率越低。这又可以导致，由于通过由melf电阻和信号阱输入电容构成的rc环节引入到通信通道中的滤波效应，有时不再能传输快信号。

10、从现有技术中也可以找到类似的实施方式。例如，ep 3355077 b1描述了通过光学元件耦入的信号的断开。然而，在ep 3355077 b1中公开的教导不能用于没有设置光学构件和因此光敏构件的应用。此外，wo 2013/029651a1还描述了一种电势断开电路，其中，考虑到数据传输速度的主题。然而，wo 2013/029651 a1并未涉及安全元件或安全通信通道，因此没有更详细地论述功能安全领域的具体问题。

11、对于所有引用的出版物都没有提出任何能够提高安全通信通道的给定的带宽的思考。尤其，没有论述如何通过适当措施使已经安全的通信通道更安全和同时更快的问题。

技术实现思路

1、因此，本发明的任务是提高功能安全的通信通道的带宽。

2、根据本发明，该任务通过独立权利要求的特征来解决。这些特征描述了一种信号传输组件，该信号传输组件包括具有信号源输出端的信号源、具有信号阱输入端以及信号阱输入电容的信号阱和将信号源输出端与信号阱输入端电导连接的通信通道，其中通信通道具有用于将通信通道与信号源输出端连接的第一信号接头、用于将通信通道与信号阱输入端连接的第二信号接头以及至少一个串联在第一信号接头和第二信号接头之间的欧姆电阻、用于将通信通道连接到信号阱输入端的第二信号接头，以及至少一个串联在第一信号接头和第二信号接头之间的欧姆电阻，以便将源自信号源的电的源信号传输到进入信号阱的电的阱信号中，其中通信通道的至少一个欧姆电阻与信号阱的信号阱输入电容形成具有滤波器极限频率的低通滤波器，该低通滤波器使源信号在传输到阱信号时经过低通滤波。电源信号以及电阱信号例如可以作为电流或电压存在。

3、如提到的那样，信号源和信号阱在此可以是来自功能安全领域的通信元件。因此，信号源可以由安全传感器、如光势垒给出，而信号阱又可以通过能够触发和/或实施技术系统的安全功能的控制单元给出。如提到的那样，所述欧姆电阻可以是melf电阻，以便能够实现信号源和信号阱之间的在多种情况下要求的断开和无反作用。

4、如所描述的那样，所列举的低通滤波器及其滤波效果与通信通道中可能的数据传输速度直接相关，该数据传输速度以所描述的方式由通信通道的通过低通滤波器确定的带宽得出。如果低通滤波器的滤波极限频率较高，则通信通道的带宽较高，由此产生可以用于传输的较高的最大频率，这最终允许较高的数据传输速度和较快信号的传输。

5、根据本发明，对于该信号传输组件设置，在第一信号接头和第二信号接头之间的通信通道中并且与至少一个欧姆电阻并联地连接由至少两个电容器构成的串联电路，与没有与欧姆电阻并联的、由至少两个电容器构成的串联电路的通信通道相比，所述串联电路使低通滤波器的滤波极限频率提高，从而减小低通滤波器的低通滤波效应。因此，提高通过低通滤波器确定的滤波器极限频率可以理解为低通效应的减小。如果提高滤波器极限频率，则通信通道的带宽增加，这伴随着带宽增加的所述的优点。令人惊讶的是，通过将由至少两个电容器构成的串联电路进行并联的看似简单的措施可以实现所描述的通信通道的传输特性的显著改善。

6、因为本发明设置多个电容器的串联用于减少所描述的低通效应，因此尤其可以提高关于“电容器短路”的故障情况的故障安全性。通过多个电容器的串联产生的串联电容在此与输入电容形成电容分压器。

7、在一个优选方式中，可以在信号传输组件的通信通道中与由至少两个电容构成的与至少一个欧姆电阻并联的串联电路串联地连接有一个另外的欧姆电阻。可以采取该措施，以便以有利的方式提高信号阱和信号源之间的断开、即无反作用。以有利的方式，欧姆电阻也可以实施为melf电阻。因此，将所述欧姆电阻实施为melf电阻是本发明的一个特别有利的实施变型。

8、有利地，由至少两个电容器构成的串联电路构型为如此程度地提高低通滤波器的滤波极限频率，使得在源信号中包含的且待传输到信号阱中的信息能够无信息丢失的情况下传输到信号阱中。为此，设置在串联电路中的电容器的电容有利地选择得足够大。

9、由信息技术充分已知，如果信号的携带信息的分量，例如信号的正弦分量(其振幅被调制为用于信息传输)在传输时不受损害，例如不被低通滤波器衰减，则信息的传输尤其可以无信息丢失地进行。如果现在通过根据本发明的由电容器构成的串联电路确保提高的滤波器极限频率高于源信号的所有携带信息的信号分量的频率，则携带信息的信号分量显然不再受损害或仅轻微受损害。因此，信息传输至少很大程度上可以是无信息丢失的。

10、在本发明的范畴内进一步确定，选择设置在串联电路中的每个电容器的电容分别比信号阱输入电容的电容大至少一个预给定的系数是有利的，该系数在此尤其可以相应于设置在串联电路中的电容器数量的至少两倍。以这种方式确保，由于由电容器构成的串联电路引起的过滤器极限频率在任何情况下高于原始通信通道的原始极限频率。

11、特别有利地，所述预给定的系数可以大于在串联电路中设置的电容器数量的1+√2倍、或10倍、或100倍。以这种方式产生通信通道的增强或通信通道频率响应的幅值响应的值仅在非常高的频率时具有在实践中不可避免的低通特性。

12、然而，以同样有利的方式也可以将预给定的系数选择为小于设置在串联电路中的电容器数量的1000倍或500倍或300倍。

13、由于在电容器的串联连接时引起的总电容小于各电容器的最小单个电容的事实得出串联电路的选择得足够大的总电容导致同样选择得足够大的单个电容。因此，在本发明的范畴内，设置在串联电路中的电容器的电容总是分别如此大地选择，使得串联电路的每个单个电容器也将引起滤波器极限频率的提高，该提高将确保源信号无信息丢失地传输到阱信号中。这意味着，即使仅单个的、从由电容器构成的串联电路中选出的电容器与通信通道的欧姆电阻并联，该单个选出的电容器也将导致足够大地提高滤波器极限频率。

14、该状况尤其在功能安全电路时是有利的，因此，即使在除了由电容器构成的串联电路中的一个电容器外的所有其它电容器具有呈短路形式的故障的情况下，仍然可以确保通过通信通道的完整通信。因此通过本发明也改善了信号传输组件的功能安全性，不但关于有限的可传输的电能，而且由于即使在除了一个电容器外的所有电容器失效时，仍总是能够确保足够快的传输。

15、此外，在许多情况下经证明为有利的是，将保护二极管连接到根据本发明的信号传输组件的通信通道的第一信号接头和/或第二信号接头上。以这种方式可以保护通信通道免受过电压。

16、此外更加有利的是，在信号阱中将信号驱动器布置在信号阱输入端上，例如以便增强通过通信通道传输的阱信号，或者即使在信号传输组件的不同的其它布线时也能够确保通过通信通道的限定的传输特性。在这种情况下，信号驱动器通常将信号驱动器输入电容引入到信号传输组件中，该信号传输组件则决定性地形成信号阱输入电容或可以是对于信号阱输入电容的主要原因。

17、需要注意的是，信号驱动器也可以布置在其它位置处，例如在信号阱外。在本发明的范畴内已经认识到，如果信号驱动器与通信通道的欧姆电阻之间的空间距离很小，则尤其能够实现良好的信号传输。为此目的，信号驱动器可以有利地与信号通道的欧姆电阻以一距离布置，该距离小于通信通道长度的一半，或者有利地与信号通道的欧姆电阻以一距离布置，该距离小于通信通道长度的三分之一，或者有利地与信号通道的欧姆电阻以一距离布置，该距离小于通信通道长度的四分之一。

18、本发明能够以所描述的方式尤其应用于功能安全领域中。在此，本发明允许可靠地保护安全通信元件尤其免受在与其电连接的其它通信元件中出现的过电压。