CN101794987A - 保护电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在工艺技术装置的存在爆炸危险的环境中由导线环路(1)馈电的电气操作设备(40)的保护电路装置。为了抑制电流从电气操作设备(40)的蓄能器(41)流向导线环路(1)，建议了一种可级联的开关单元(10，20，30)，其具有允许导线环路的电流流过的第一晶体管，和被第一晶体管的寄生基极-发射极二极管短路的第二晶体管。

Description

保护电路装置

技术领域

本发明涉及一种在工艺技术装置的存在爆炸危险的环境中由导线环路(Leiterschleife)馈电的电气操作设备的保护电路装置。

背景技术

这样的电气操作设备本身作为现场设备是已知的，特别是用作压力、温度、流量等的测量值采集装置、控制和操纵诸如阀门或闸门这样的调节单元的执行机构，或者作为用于在互操作(interoperierenden)的自动化技术装置之间进行数据交换的通信给件。

为了在工艺技术装置的存在爆炸危险的环境中应用电气操作设备，要有特殊的安全措施。

这些安全措施规定：在馈电的导线环路的芯线短路时，不允许有能量从现场设备反馈到导线环路，这可能会导致周围有爆炸危险的气体被点燃。于是产生这样的要求：允许电流流向现场设备，但要阻止电流从现场设备反向流出。无需特别提醒，本领域技术人员一般都熟悉：二极管有一个能让电流流过二极管的导通方向和一个阻止电流流过二极管的截止方向，因此将其接入馈电导线，以便满足防止反向馈电的要求。

此外，出于安全的原因，还要求与安全有关的部件冗余设计。由此得到由至少两个二极管构成的串联电路，根据国家的特殊规定，要串联三个二极管。图1示出这样的已知保护电路。室温下每个二极管在导通方向上的电压降约为0.6V，由此出发，按照图1的保护电路在室温下总的电压降高达1.8V，随着环境温度下降到-40℃，电压降上升到3.0V。在通过电流环路向现场设备装置馈电的情况下，保护电路上的电压降导致不希望有的电流环路作用范围缩短。

因此，本发明的任务在于，提出一种在导通方向上电压降小于已知的二极管电路的保护电路。

发明内容

本发明从用双线环路馈电的双极性电气操作设备出发。

按照本发明，这个任务通过可级联的开关单元来解决，后者由相同晶区顺序的第一晶体管和第二晶体管组成，其分别带有一个基极电阻，在电气操作设备的电子电路和导线环路之间接成四极。该开关单元具有第一和第二馈电电流端子以及第一和第二控制端子。

其中，分别地，第一晶体管的发射极与第一馈电电流端子相连，而第一晶体管的集电极与第二馈电电流端子相连。第一基极电阻接在第一晶体管的基极和第一控制端子之间。第二晶体管的集电极与第一晶体管的基极相连。第二晶体管的发射极与第一晶体管的集电极相连，而第二基极电阻接在第二晶体管的基极和第二控制端子之间。

第一开关单元的第一馈电电流端子与导线环路的第一接线端子相连。最后一个开关单元的第二馈电电流端子通过该操作设备的电子电路与导线环路的第二接线端子相连。所有第一控制端子均与导线环路的第二接线端子相连，而所有第二控制端子均与该导线环路的第一接线端子相连。

按照本发明的另一个特征，多个开关单元这样级联，使得一个开关单元的第一馈电电流端子与另一个相邻的开关单元的第二馈电电流端子相连接。

导线环路的双导线与第一和第二接线端子相连接。

每个开关单元的各自的第一晶体管在该保护电路装置的规定使用期间对于导通方向上的馈电电流是导通的，而各自的第二晶体管截止。这时，每个开关单元的各自的第一晶体管均处于饱和状态。

在双导线上出现短路的情况下，每个开关单元的各自的第二晶体管导通，而且这时集电极-发射极段导通，而各自的第一晶体管的集电极-基极段处于截止状态。这样更可靠地避免了电气操作设备中所有蓄能器通过双导线上的短路进行低电阻放电。

各自的第一晶体管的导通的集电极-发射极段上在饱和状态下的电压降远低于二极管上的电压降，而且此外与温度的关系小得多。实际研究表明，通过带有三个级联开关单元的本发明所述保护电路装置，在整个感兴趣的温度范围内电压降均小于0.25V。这样，该保护电路装置对双导线可能的最大导线长度影响非常小。

按照本发明的另一个特征，晶体管实现为金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)。按照MOSFET的端子标示方法，栅极端子代替双极性晶体管的基极，源极端子和漏极端子以任意顺序代替集电极和发射极。

附图说明

下面参照实施例对本发明作为更详细的说明。为此所需的附图如下：

图1是按照现有技术的保护电路装置的电路图；

图2是按照本发明的保护电路的一个开关单元的电路图；

图3是按照本发明的保护电路装置的一个替代开关单元的电路图；

图4是双导线上电气操作设备的原理图；

图5是带有MOSFET的开关单元的电路图。

具体实施方式

在图1中示出了用于双导线1上的电气操作设备40的在前面已经描述的已知的保护电路装置。该保护电路装置由三个二极管5的串联电路组成，在导通方向上接在至电子电路42的引线上。在双导线1上发生短路的情况下，通过二极管5的截止作用在截止方向上避免从电子电路42向双导线1进行能量回馈。

图2示出了按照本发明的保护电路装置的开关单元10，20，30的电路图。

开关单元10，20，30由相同晶区顺序的第一晶体管17和第二晶体管18组成，其分别具有一个基极电阻15和16。开关单元10，20，30具有一个第一馈电电流端子11，21，31和一个第二馈电电流端子12，22，32，以及一个第一控制端子13，23，33和一个第二控制端子14，24，34。在所示的这个实施方式中，晶体管17和18具有PNP晶区顺序。

第一晶体管17的发射极与第一馈电电流端子11，21，31相连接，而第一晶体管17的集电极与第二馈电电流端子12，22，32相连接。第一基极电阻15接在第一晶体管17的基极和第一控制端子13，23，33之间。第二晶体管18的集电极与第一晶体管17的基极相连接。第二晶体管18的发射极与第一晶体管17的集电极相连接，而第二基极电阻16接在第二晶体管18的基极和第二控制端子14，24，34之间。

在图3中示出了按照本发明的开关单元10，20，30的一个替代实施方式，其中用相同的附图标记表示相同的装置。其中在这个实施方式中晶体管17和18具有NPN的晶区顺序。

按照图4所示，电气操作设备40有一个电子电路42和一个蓄能器41。其中蓄能器41可以作为集中的结构单元以电容形式或者以分布式形式设置。该电气操作设备40由导线环路1馈送直流电流，为此导线环路1连接在第一接线端子2和第二接线端子3上。

该四极的开关单元10，20，30连接在电气操作设备40的电子电路42和导线环路1的接线端子2和3之间。为了保证所要求的可靠性，三个开关单元10，20，30冗余地串联连接。其中第一开关单元10的第一馈电电流端子11与该导线环路1的第一接线端子2相连接。最后一个开关单元30的第二馈电电流端子32通过操作设备40的电子电路42与导线环路1的第二接线端子3相连接。所有第一控制端子13，23，33与导线环路1的第二接线端子3相连接，而所有第二控制端子14，24，34与导线环路1的第一接线端子2相连接。开关单元10，20，30这样级联，使得第二开关单元20的第一馈电电流端子21与相邻的第一开关单元10的第二馈电电流端子12相连接。与此相应地，第三开关单元30的第一馈电电流端子31与相邻的第二开关单元20的第二馈电电流端子22相连接。

导线环路1的双导线与第一和第二接线端子2，3相连接。

在第一实施方式中，按照图4的保护电路装置装有图2所示的PNP晶体管17，18。其中在第一接线端子2处连接双导线所传输的直流电流的正极，而在第二接线端子3处连接其负极。

在按照图4的保护电路装置的一个替代实施方式中，开关单元10，20，30装有图3所示的NPN晶体管17，18。其中在第一接线端子2处连接双导线所传输的直流电流的负极，而在第二接线端子3处连接其正极。

与该保护电路装置的实施方式无关，每个开关单元10，20，30各自的第一晶体管17在该保护电路装置的规定使用期间，对于导通方向上的馈电电流是导通的，而各自的第二晶体管18是截止的。这时，每个开关单元10，20，30的各自的第一晶体管17处于饱和状态。在这种工作状态下，电气操作设备40的电子电路42按照规定由双导线馈电，并向蓄能器41充电。

在双导线上出现短路的情况下，每个开关单元10，20，30的各自的第二晶体管18导通并保持，其集电极-发射极段导通，而这时各自的第一晶体管17的集电极-基极段处于截止状态。由此更可靠地避免了电气操作设备40的所有蓄能器41通过双导线上的短路进行低电阻放电。

最后，在图5中示出了采用实现为PMOS型MOSFET的晶体管17和18的开关单元，其中相同的装置用相同的附图标记表示。其中，根据MOSFET的端子标示方法，第一晶体管17的漏极端子与第一馈电电流端子11，21，31相连接，而第一晶体管17的源极端子与第二馈电电流端子12，22，32相连接。第一基极电阻接在第一晶体管17的栅极端子和第一控制端子13，23，33之间。第二晶体管18的源极端子与第一晶体管17的栅极端子相连接。第二晶体管18的漏极端子与第一晶体管17的源极端子相连接，而第二基极电阻16连接在第二晶体管18的栅极端子和第二控制端子14，24，34之间。

在本发明的范围内，PMOS型MOSFET可用NMOS型MOSFET代替。由于MOSFET的对称结构，在本发明的范围内，每个晶体管17或18的源极端子都可以与同一晶体管17或18的漏极端子对调。

附图标记列表

1导线环路

2第一接线端子

3第二接线端子

5二极管

10，20，30开关单元

11，21，31第一馈电电流端子

12，22，32第二馈电电流端子

13，23，33第一控制端子

14，24，34第二控制端子

15第一基极电阻

16第二基极电阻

17第一晶体管

18第二晶体管

40电气操作设备

41蓄能器

42电子电路

Claims (3)

1.一种用于由导线环路(1)馈电的电气操作设备(40)的保护电路装置，

其特征在于，

具有至少一个可级联的开关单元(10，20，30)，所述开关单元带有第一馈电电流端子(11，21，31)、第二馈电电流端子(12，22，32)、第一控制端子(13，23，33)和第二控制端子(14，24，34)，所述开关单元具有带有第一基极电阻(15)的第一晶体管(17)和带有第二基极电阻(16)的相同晶区顺序的第二晶体管(18)，其中该第一晶体管(17)的发射极与第一馈电电流端子(11，21，31)相连，第一晶体管(17)的集电极与第二馈电电流端子(12，22，32)相连，第一基极电阻(15)连接在第一晶体管(17)的基极和第一控制端子(13，23，33)之间，第二晶体管(18)的集电极与第一晶体管(17)的基极相连，第二晶体管(18)的发射极与第一晶体管(17)的集电极相连，而第二基极电阻(16)连接在第二晶体管(18)的基极和第二控制端子(14，24，34)之间，而且其中第一开关单元(10，20，30)的第一馈电电流端子(11，21，31)与导线环路(1)的第一接线端子(2)相连，最后一个开关单元(10，20，30)的第二馈电电流端子(12，22，32)通过操作设备(40)的电子电路(42)与导线环路(1)的第二接线端子(3)相连，所有第一控制端子(13，23，33)均与导线环路(1)的第二接线端子(3)相连，所有第二控制端子(14，24，34)均与导线环路(1)的第一接线端子(2)相连。

2.按照权利要求1的保护电路装置，

其特征在于，

多个开关单元(10，20，30)这样级联，使得一个开关单元(10，20，30)的第一馈电电流端子(11，21，31)与另一开关单元(10，20，30)的第二馈电电流端子(12，22，32)相连。

3.按照权利要求1和2中任一项的保护电路装置，

其特征在于，

晶体管(17，18)实现为金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)，其中栅极端子代替双极性晶体管的基极，源极端子和漏极端子任意分配地代替集电极和发射极。

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