CN102377174A - 能量供给装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于本质安全的负载电路(2)的本质安全的能量供给的能量供给装置(1)，其具有电压源(3)、功率限制电路、电流限制电路和负载电路端子(4)，其中所述负载电路(2)可连接到所述负载电路端子(4)上，其中所述功率限制电路和所述电流限制电路在所述电压源(3)与所述负载电路端子(4)之间起作用，和其中所述功率限制电路由至少两个可控制的半导体器件(5)构成。根据本发明，通过以下方式实现具有尽可能少的损耗功率的能量供给装置(1)：所述电流限制电路由至少一个电阻(6)构成，其中所述电阻(6)具有恰好足够将短路电流限制到不存在火花点火危险的电流强度上的电阻值。

Description

能量供给装置
技术领域
本发明涉及一种用于本质安全的负载电路的本质安全的能量供给的能量供给装置，其具有电压源、功率限制电路、电流限制电路和负载电路端子，其中在负载电路端子上可连接负载电路，其中功率限制电路和电流限制电路在电压源与负载电路端子之间起作用，和其中功率限制电路由至少两个可控制的半导体器件构成。
背景技术
由标准IEC 60079-11确定针对确定用于气体爆炸危险区域中的本质安全的运行装置的构造和检验的规定以及针对用于连接在通往这样的区域的本质安全的电路的所属运行装置的规定。所述标准还适用于位于气体爆炸危险区域以外或者通过根据IEC 60079-0的其他点火保护类型保护的电运行装置或者电运行装置的部分，只要气体爆炸危险区域中的电路的本质安全性可能与所述电运行装置或者所述运行装置的部分的设计和结构相关。
点火保护类型“本质安全性(Eigensicherheit)”基于：将遭受可爆炸的气氛的运行装置和连接线路内的电能限制到如下水平，其中在该水平之下或者通过火花形成或者加热均不再能够引起点火。
在有关标准内，概念“故障”是特别重要的。其指的是任意部件的、部件之间的分离、绝缘或连接的每个缺陷，其未由IEC 60079-11确定为非易受干扰的并且电路的本质安全性与其相关。这些故障区分为可计算的故障和不可计算的故障。可计算的故障是在电运行装置的与IEC 60079-11的结构要求相一致的部件中出现的故障。其他故障称作不可计算的故障。
由标准中例如对于保护水平“ia”的电运行装置得出以下要求：在定义的施加电压下，运行装置的本质安全的电路在不受干扰的运行中以及在存在两个可计算的故障加上由最不利条件得出的不可计算的故障时不允许造成点火。
为了避免热点火，必须在最高温方面评价和/或检验部件、外壳和/或布线的所有可能与可爆炸的气体气氛相联系的表面。由此对于器件根据表面大小和最大环境温度得出允许的损耗功率的上限。因此，需要限制最大提供给所述器件的功率。
然而，用于电流限制的允许的器件的选择是有限的。可控制的半导体器件仅仅在保护水平“ib”和“ic”的电运行装置中用作串联的电流限制元件。然而，对于用于保护水平“ia”的运行装置的功率限制，允许使用由可控制的和不可控制的半导体器件组成的串联电流限制器。
由DE 3622268C1公知一种用于保护位于爆炸危险区域中的通过线路与位于爆炸危险区域以外的电路部分连接的耗电器和/或测量值传送器的电安全电池。在所述安全电池中的情况下，使用两个串联的纵向控制环节，其通过四个控制回路控制。在此，控制回路的控制电压是电流测量环节的输出电压的至少一部分和相应于纵向控制环节中的电压降的电压的至少一部分的总和。尤其是，电流测量环节是欧姆电阻，并且纵向控制环节和控制回路由晶体管构成。在此，如此选择欧姆电阻，使得在所期望的极限电流时在所述电阻上产生这样的电压降，使得控制电压达到足够高的值、例如0.6V，以便导通控制回路的晶体管，由此又使所分配的纵向控制环节的晶体管转换到非导通状态中。在此，欧姆电阻不用于限制所连接的耗电器中的短路电流而是用于调节所期望的极限电流，其导致半导体器件的相应驱动。电安全电池也不满足保护水平“ia”，因为在两个纵向控制环节或第一纵向控制环节或所属的控制回路的晶体管短路时不确保对所连接的耗电器中的短路电流的足够限制。
由现有技术公知，使用熔断保险装置用于电流或功率限制。然而在导致熔断保险装置的触发和熔断的故障情况下，必须更换熔断保险装置，这在难以接近的能量供给装置时会导致巨大的耗费。同样，由现有技术公知，使用电阻进行功率限制。例如为了将功率限制到避免热点火所需的值1瓦特上，在12伏特的给定电压下需要至少144欧姆的电阻。然而，使用电阻进行功率限制具有以下缺点：在所述电阻处分到(abfallen)不受欢迎的高损耗功率。
发明内容
因此，本发明的任务在于说明一种能量供给装置，其具有尽可能小的损耗功率。
事先引出和指明的任务从开头所述的能量供给装置出发通过以下方式解决：电流限制电路由至少一个电阻构成，其中所述电阻具有恰好足够将短路电流限制到不存在火花点火危险的电流强度上的电阻值。
由IEC 60079-11的表格A.1得出，为了仅仅将短路电流限制到对于运行装置组IIC而言在12伏特的给定电压下所允许的最高值上，大约3.6欧姆的电阻已经足够了。在此，在电阻处分到比在使用电阻进行功率限制时小得多的损耗功率。另一优点在于，在根据本发明的能量供给装置中不使用原则上(prinzipbedingt)在一次触发后必须更换的熔断保险装置。在根据本发明的能量供给装置中，电阻被构造为根据IEC 60079-11的非易干扰的电阻，如其对于保护水平“ia”和“ib”所要求的那样。由多个电阻、即尤其是由电阻网络组成的电阻的扩展方案也处于本发明的范畴内，只要由此继续保证本质安全性。
一般根据本发明规定，如此设计能量供给装置，使得其满足IEC 60079-11的要求。属于此的尤其是，在能量供给装置设置用于保护水平“ia”或“ib”的情况下如此设计能量供给装置，使得既在不受干扰的运行中也在应用对于相应的保护水平所确定的故障条件之后，剩余的部件(点火保护类型与其相关)(除如变压器、保险装置、热触发器、继电器、光耦合器和开关以外)以不大于其最大电流、其最大电压和其最大功率的三分之二运行；在此最大电流、最大电压和最大功率涉及部件的测定值、安装条件和所确定的温度范围。
根据本发明的能量供给装置的电压源同样根据本质安全性的要求来设计，尤其是由电压源提供的输入电压例如通过齐纳二极管限制到最高电压上。
根据本发明的能量供给装置尤其是适于流量测量设备(例如科氏(Coriolis)质量流量测量设备或者磁感应的流量测量设备)的本质安全的能量供给。
根据本发明的一个有利的改进方案规定，功率限制电路和电流限制电路串行地串联，尤其是电流限制电路与负载电路端子连接。由此确保：在每种情况下，负载电路端子既由电流限制电路也由功率限制电路得到保障。替代地，也可以如下进行串行地串联：功率限制电路与负载电路端子连接。
根据本发明的另一有利的改进方案规定，利用电流测量装置测量从负载电路端子提取的负载电流，并且借助所测量的负载电流通过功率控制装置控制可控制的半导体器件中的至少一个。通过所述功率控制装置以简单且有效的方式保证在负载电路的威胁本质安全性的高功率消耗的情况下如下控制可控制的半导体器件：功率消耗不超过需遵守的上限。尤其有利的是，在负载电路的威胁本质安全性的高功率消耗的情况下如此控制可控制的半导体器件，使得完全中断流过可控制的半导体器件的通过电流；在此情况下由功率控制装置在开关运行中运行可控制的半导体器件。
在本发明的一个优选扩展方案中规定，两个可控制的半导体器件中的至少一个可通过至少一个被设计为定时开关的功率控制装置来控制。在此，定时开关指的是在其通过相应的激活信号激活以后对于预先确定的时间间隔提供定义的输出信号的电子部件。根据本发明，使用这样的定时开关，以便控制两个可控制的半导体器件中的至少一个。尤其是，为每个定时开关分配比较器，通过所述比较器又可对定时开关进行控制。
本发明的一个完全特别有利的改进方案在于，设有两个定时开关，其中分别一个定时开关控制两个可控制的半导体器件中的一个，尤其是如此控制，使得在负载电路的威胁本质安全性的高功率消耗的情况下两个可控制的半导体器件对于预先确定的时间间隔完全中断通过电流。在预先确定的时间间隔期满之后，两个可控制的半导体器件重新转换到导通状态，只要不再存在负载电路的威胁本质安全性的高功率消耗。随后可以继续正常运行。
根据本发明的一个有利的改进方案规定，用于测量负载电流的电流测量装置至少部分地由电阻构成。测量电阻处的负载电流是监视负载电流的简单且成本低的可能性，因为这样可以不设置附加的电阻用以测量负载电流。
本发明的一个优选的改进方案的特征在于，电阻上的电压降对于至少一个接线为差分放大器的运算放大器用作输入信号并且所述运算放大器的输出信号用作负载电流的度量。所述用作负载电流的度量的输出信号在根据本发明的能量供给装置中优选通过相应的以电路方式的连接输送给功率控制装置。
已经证实特别有利的是，直接由另一功率控制装置控制本质安全的负载电路的功率消耗。因此，所述附加且直接起作用的另一功率控制装置仅仅干预负载电路本身，从能量供给装置来看即在负载电路端子那一边的负载侧。通过所述控制已经在负载电路侧限制功率消耗，从而在额定运行中不触发根据本发明的能量供给装置的功率限制电路，因为已经通过直接作用于负载电路的另一功率控制装置将本质安全的负载电路的功率消耗限制到本质安全的值上。
根据本发明的另一扩展方案规定，所述另一功率控制装置具有数/模转换器。这主要是在结合本发明的另一特别的扩展方案的情况下是有利的，其中由微处理器向数/模转换器提供数字输入信号，并且数/模转换器的模拟输出信号提供给本质安全的负载电路用于控制本质安全的负载电路的功率消耗。结合微处理器使用数/模转换器能够实现爆炸危险区域以外的本质安全的负载电路的功率消耗的自动化控制。因为所述另一功率控制装置与负载电路导电地连接，所有有利的是，所述另一功率控制装置也满足IEC 60079-11的要求。
根据本发明的最后在这里描述的改进规定，电压源基于功率i(Power i)技术。
附图说明
详细地，现在存在用于设计和改进根据本发明的能量供给装置的多种可能性。对此，参考布置在权利要求1之后的权利要求以及参照附图对本发明的优选实施例的以下详细描述。在附图中示出：
图1示意性地示出与由另一功率控制装置控制的负载电路连接的根据本发明的能量供给装置。
具体实施方式
在图1中，在能量供给装置1上连接有本质安全的负载电路2。能量供给装置1具有电压源3，其提供本质安全的、受限制的输入电压。能量供给装置1还具有功率限制电路、电流限制电路和负载电路端子4，在所述负载电路端子上连接有负载电路2。功率限制电路由两个可控制的半导体器件5构成。电流限制电路由电阻6构成。两个可控制的半导体器件5串行地串联并且布置在电压源3与电阻6之间。电阻6以其未连接到可控制的半导体器件5上的端子构成负载电路端子4。
现在，对于所示能量供给装置1重要的是，构成电流限制电路的电阻6具有恰好足够将短路电流限制到不存在火花点火危险的电流强度上的电阻值。通过电阻值的该测定得出比在使用电阻6既用于电流限制也用于功率限制时小得多的损耗功率。
能量供给装置1的特别特性是借助于可控制的半导体器件5进行所需的功率限制。在两个可控制的半导体器件5的控制端子上分别通过安全电阻7连接定时开关8。定时开关8的输入信号通过接线为差分放大器的运算放大器9提供。对于两个运算放大器9，电阻6上的电压降用作输入信号，并且两个运算放大器9提供用作负载电流的度量的输出信号。借助于所述电路根据所测量的负载电流进行从负载电路端子4提取的负载电流的功率控制。
通过其他安全电阻7将整个能量供给装置1划分为本质安全地分离的区域，尤其是布置在爆炸危险区域中的负载电路2本质安全地与位于爆炸危险区域以外的运行装置连接。这样分离的区域之间的界限在图1中以虚线示出。
本质安全的负载电路2的功率消耗由另一功率控制装置10控制。所述另一功率控制装置10将本质安全的负载电路2的功率消耗限制到以下值上，所述值排除爆炸危险区域中的热表面处的点火。所述另一功率控制装置10具有数/模转换器11，由微处理器12向所述数/模转换器提供数字输入信号。微处理器12以硬件方式实现在这里未详细研究的用于控制或调节负载电路2的功率消耗的方法，所述方法在所述微处理器上以软件方式实现并且提供用于负载电路2的额定功率消耗的数字预给定值。数/模转换器11的相应于数字预给定值的模拟输出信号通过安全电阻7提供给本质安全的负载电路2用于控制功率消耗。
负载电路2在这里示出的示例中具有传感器线圈13；负载电路可以具有任意的其他负载，这取决于具体的应用。通过与线圈13并联的齐纳二极管14，传感器线圈13的通常非常大的电感是不起作用的，也就是说，在传感器线圈13中通过快速的电流变化感应出的电压由齐纳二极管限制到本质安全的值上。

Claims (10)

1.用于本质安全的负载电路(2)的本质安全的能量供给的能量供给装置(1)，其具有电压源(3)、功率限制电路、电流限制电路和负载电路端子(4)，其中所述负载电路(2)可连接到所述负载电路端子(4)上，其中所述功率限制电路和所述电流限制电路在所述电压源(3)与所述负载电路端子(4)之间起作用，和其中所述功率限制电路由至少两个可控制的半导体器件(5)构成，
其特征在于，
所述电流限制电路由至少一个电阻(6)构成，其中所述电阻(6)具有恰好足够将短路电流限制到不存在火花点火危险的电流强度上的电阻值。
2.根据权利要求1所述的能量供给装置(1)，其特征在于，所述功率限制电路和所述电流限制电路串行地串联，尤其是所述电流限制电路与所述负载电路端子(4)连接。
3.根据权利要求1或2所述的能量供给装置(1)，其特征在于，利用电流测量装置测量从所述负载电路端子(4)提取的负载电流，并且根据所测量的负载电流通过功率控制装置控制所述可控制的半导体器件(5)中的至少一个。
4.根据权利要求3所述的能量供给装置(1)，其特征在于，可通过至少一个被构造为定时开关(8)的功率控制装置控制所述两个可控制的半导体器件(5)中的至少一个。
5.根据权利要求3或4所述的能量供给装置(1)，其特征在于，用于测量负载电流的电流测量装置至少部分地由所述电阻(6)构成。
6.根据权利要求5所述的能量供给装置(1)，其特征在于，所述电阻(6)上的电压降对于至少一个接线为差分放大器的运算放大器(9)用作输入信号，并且所述运算放大器(9)的输出信号用作所述负载电流的度量。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的能量供给装置(1)，其特征在于，所述本质安全的负载电路(2)的功率消耗直接由另一功率控制装置(10)控制。
8.根据权利要求7所述的能量供给装置(1)，其特征在于，所述另一功率控制装置(10)具有数/模转换器(11)。
9.根据权利要求8所述的能量供给装置(1)，其特征在于，由微处理器(12)向所述数/模转换器(11)提供数字输入信号，并且所述数/模转换器(11)的模拟输出信号提供给所述本质安全的负载电路(2)用于通过所述另一功率控制装置(10)来控制所述本质安全的负载电路(2)的功率消耗。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的能量供给装置(1)，其特征在于，所述电压源(3)基于功率i技术。
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