CN107534290A - 本质安全栅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于供电的设备、耗电设备、电气设备或部件的改进的本质安全栅装置。本发明还公开了一种用于供电的设备、耗电设备、电气设备或部件的本质安全栅的操作方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年2月19日提交的名称为“本质安全栅”的美国专利申请No.14/626,084的优先权，其整体内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及本质安全的有限电压和电流输出栅，其被定位于产业上所知道的关联装置中，并且其需要被安装在本质安全设备和关联装置内被认为不是本质安全的另一个电路之间的每个电接口中，使得本质安全设备中的保护部件和结构，在被连接到具有由栅电路提供的本质安全的有限电压和电流输出的关联装置时，不被损坏。
背景技术
一种类型的危险位置是可燃气体、蒸气、或粉尘存在的地方。安装在这些位置中的电气设备必须经过专门设计和测试，以确保不会由于电弧触点或设备高表面温度而引起爆炸。
在煤矿中引入用于信号传递或照明的电气装置往往伴随着可燃性气体和粉尘的电引发爆炸。因此，开发了用于标识电气装置中将防止电气引爆的特征的标准。若干保护方法在被使用。一种这样的方法是以一种方式设计电气设备，使得它们不能产生足够强的火花，或生成足够热的热量，以点燃可燃气体和/或粉尘。
存在各种用于这些危险位置中电气安装安全的策略。最简单的策略是通过将设备完全保留在区域外或者通过工序改善或利用清洁空气通风使区域危险性降低，来使危险区域中安装的电气设备的数量最小化。本质安全(包括非易燃的设备和接线方式)是被设计具有低功率水平和低储能水平的装置的实践集。在这种装置中，在最严重的故障条件下，也不会有足够的能量来产生能够点燃周围爆炸性空气的电弧，并且在最严重的故障条件下，也不会有足够的能量来产生足以点燃周围的爆炸性空气的热量。本质安全是使功能设备在周围的爆炸性空气中能够不成为点火源的几种方法之一。被称为本质安全的设备被设计成不能产生足以点燃爆炸性空气的热量或火花。如本文所使用的，“本质安全输出”是指关联装置的输出不能传递比由将被连接到关联装置的输出端的本质安全设备的认证所允许的电压和电流量大的电压和电流(即，关联装置的输出不能损坏本质安全设备的部件和构造)。
在设计本质安全电子设备时的一些考虑包括：将能量限制到在最严重的故障条件下也不能在爆炸性空气中产生易燃火花的水平，将能量限制到在最严重的故障条件下也不能产生由生成的热量点燃爆炸性空气的水平，以及结合间距、结构和材料的适当方法的使用。消除部件内的火花电势是通过在最严重的故障条件下，将任何给定的电路和整个系统中的存储能量限制在安全水平内来实现的。在某些故障条件下(例如半导体设备的内部短路)，生成的热量成为一个问题，这是因为即使在正常使用中，部件的温度可以上升到能够点燃一些爆炸性气体和粉尘的水平。因此，采用各种保护措施(诸如通过电阻器和熔丝限制电流和功率)，以确保部件可以达到引发可燃性空气自燃的温度的那些环境中的安全。在目前使用的许多高度紧凑的电气设备中，印刷电路板通常具有使得难以减少在部件间产生电弧的可能性的部件间距，无论是否有粉尘或其他颗粒物质作用在电路上。因此，部件间距、选址和隔离技术对于拥有本质安全的设计变得重要。
本质安全背后的主要概念是确保只有低电压和低电流进入危险区域，确保不可能存在显著能量存储，并且确保不可能存在显著热量生成。常用的保护方法是通过使用多个串联电阻器来限制电流(假设电阻器总是失效开放)；并且利用将多个齐纳二极管接地来限制电压(假设二极管总是失效短路)。此外，存在针对本质安全设计的认证标准，其根据设备类型而变化，通常要求安全栅(例如电隔离栅)不超过所允许的电压和电流水平，所允许的电压和电流水平具有对电流和电压限制部件具有特定损坏。
被设计用于危险区域中的设备或仪器将被设计成在低电压和低电流情况下操作，并且将被设计成不具有可能在易燃的火花中放电的任何大总额等效电容或大总额等效电感。仪器通常将使用允许的接线或连接方法来被连接到AC或DC电动设备，或者经由一个或多个安全栅来被连接，所有这些都将位于非危险区域。安全栅确保不超过允许的电压或电流被连接到本质安全设备的电气接口端口。
一种改进的本质安全栅被需要，其在现有技术中未知。它通常位于关联装置(如电池充电器，因此使其具有本质安全输出)内，该关联装置利用具有现成的小型印刷电路板部件和/或低额定功率/电流分立部件被构建，以提供本质安全的有限电流和本质安全的有限电压，其也具有高电压和高电流电隔离。当连接交流电源电池充电器作为被连接到本质安全认证设备的关联装置时，可以使用这种改进的本质安全栅。当本质认证的设备被电连接到具有本质安全输出的关联装置时，改进的本质安全栅防止本质认证的设备中的保护部件的损坏。
发明内容
一般地，本发明提供了用于电气设备或部件的改进的本质安全栅布置。优选地，本发明提供了包括现有的小型印刷电路板部件的改进的本质安全栅。优选地，本发明提供了包括低额定功率/电流分立部件的改进的本质安全栅。优选地，本发明提供了提供本质安全有限电流的改进的本质安全栅。优选地，本发明提供了提供本质安全有限电压的改进的本质安全栅。优选地，本发明提供了一种改进的本质安全栅，其提供本质安全标准所要求的高电压和高电流隔离，但是具有小型印刷电路板部件。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，本发明提供了包括并联连接的x个栅电路的本质安全栅。每个栅电路包括：阴极节点、输出节点和接地节点。栅网络熔丝被连接于本质安全栅的阴极节点和输入节点之间，并且y个齐纳二极管以将电压限制在阴极节点处的最大水平的方式，被并联连接与栅电路的阴极节点与栅电路的接地节点之间。此外，每个齐纳二极管的阳极被连接到栅电路的接地节点，每个齐纳二极管的阴极被连接到栅电路的阴极节点。本质安全栅还包括被串联连接于栅电路的阴极节点和栅电路的输出节点之间的z个阻塞二极管。z个阻塞二极管被定向为仅从栅电路的阴极节点向栅电路的输出节点传递电流。x个栅电路的输出节点被耦合在一起以定义本质安全栅的VDCout节点。x个栅电路的接地节点被耦合到电接地。在一个优选和非限制性的实施例或方面中，每个阻塞二极管可以是肖特基二极管。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，x可以大于或等于2。在一个优选和非限制性的实施例或方面中，y可以大于或等于2。在一个优选和非限制性的实施例或方面中，z可以大于或等于2。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，经串联连接的z个阻塞二极管中的第一个阻塞二极管的阳极可以被连接到栅电路的阴极节点。在一个优选和非限制性的实施例或方面中，经串联连接的z个阻塞二极管中的第一个阻塞二极管的阴极可以被连接到经串联连接的z个阻塞二极管中第二个阻塞二极管的阳极，并且经串联连接的z个阻塞二极管中的第二个阻塞二极管的阴极可以被连接到经串联连接的z个阻塞二极管中的第三个阻塞二极管的阳极。在一个优选和非限制性的实施例或方面中，经串联连接的z个阻塞二极管中第一个阻塞二极管的阴极被连接，以向经串联连接的z个阻塞二极管中的最后一个阻塞二极管的阳极供应电流，经串联连接的z个阻塞二极管中最后一个阻塞二极管的阴极可以被连接到栅电路的输出节点。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，Vin节点可以被连接到未被配置为是本质安全的AC或DC供电(electrically powered)设备。VDCout节点被配置为被连接到供电设备，例如被配置为本质安全的耗电设备，或者被配置为被从VDCout节点断开连接之后在危险区域内使用和操作的耗电设备。如本文所用，“本质安全”是指不能够产生足以点燃爆炸性空气的热量或火花。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，每个栅电路还可以包括在栅电路的阴极节点和栅电路的输出节点之间与z个阻塞二极管串联的电阻器。在一个优选和非限制性的实施例或方面中，本质安全栅还可以包括在VDCout节点和电接地之间的m个齐纳二极管。m个齐纳二极管中的每一个齐纳二极管的阳极可以被连接到电接地，并且m个齐纳二极管中的每一个齐纳二极管的阴极可以被连接到VDCout节点。m个齐纳二极管中的每一个齐纳二极管都可以配置为提供在VDCout节点处的瞬态过电压(静电放电)保护。在一个优选和非限制性的实施例或方面中，m可以大于或等于1。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，从VDCout节点输出的本质安全的DC电流(IDCout)可以等于其中x是栅网络熔丝的总数目，并且其中是栅网络熔丝x的电流额定值。在一个优选和非限制性的实施例或方面中，从VDCout节点输出的最大电流(Imax)可以大于或等于1.7IDCout。在一个优选和非限制性的实施例或方面中，在Vin电压为250VAC或354VDC时，每个栅网络熔丝可以具有小于1安培的熔断电流额定值，并且可以具有大于或等于1,500安培的分断额定值。
在另一个优选和非限制性的实施例或方面中，本发明提供了包含栅电路的本质安全栅，该栅电路包括：被并联连接于栅电路的阴极节点和栅电路的接地节点之间的多个齐纳二极管，每个齐纳二极管的阳极被连接到栅电路的接地节点，每个齐纳二极管的阴极被连接到栅电路的阴极节点；以及被串联连接于栅电路的阴极节点和栅电路的输出节点之间的多个阻塞二极管，其被定向以仅从栅电路的阴极节点向栅电路的输出节点传递电流。具有第一端和第二端的栅网络熔丝被提供。栅网络熔丝的第一端被耦合到栅电路的阴极节点。栅网络熔丝的第二端可以被耦合到栅电路的输入节点。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，每个阻塞二极管可以是肖特基二极管。在一个优选和非限制性的实施例或方面中，电阻器可以与栅电路的阴极节点和输出节点之间的多个阻塞二极管串联连接。在一个优选和非限制性的实施例或方面中，多个栅电路可以被并联连接，其中多个栅电路的输出节点被耦合在一起。多个栅网络熔丝可以被提供。多个栅网络熔丝中的每一个栅网络熔丝的第一端可以与栅电路中的单个栅电路的的阴极节点耦合，并且多个栅网络熔丝的第二端可以被耦合在一起。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，被耦合在一起的多个栅网络熔丝的第二端可以被连接到AC或DC供电设备，例如，耗电设备，其未被配置为是本质安全的。被耦合在一起的多个栅电路的输出节点可以被连接到被配置为所本质安全的耗电设备，或者被配置为被在从输出节点断开连接之后在危险区域内使用和操作的耗电设备。如所讨论的，“本质安全”是指不能够产生足以点燃爆炸性空气的热量或火花。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，至少一个齐纳二极管可以被连接于输出节点与接地节点之间，其中至少一个齐纳二极管的阳极被连接到接地节点，至少一个齐纳二极管的阴极被连接到输出节点。在一个优选和非限制性的实施例或方面中，至少一个齐纳二极管被配置为提供在输出节点处的瞬态过电压(静电放电)保护。
最后，在另一个优选和非限制性的实施例或方面中，本发明提供了操作本质安全栅的方法，其包括：(a)响应于本质安全栅的阴极节点处的AC或DC输入电压，在本质安全栅的阴极节点建立比输入电压更低的电压；(b)在本质安全栅的输出节点处建立比在本质安全栅的阴极节点处所建立电压更低的电压；以及(c)在步骤(b)的同时，限制在从阴极节点到输出节点的方向上的电流。在一个优选和非限制性的实施例或方面中，可以经由齐纳二极管建立低于阴极节点电压的电压。
在另一个优选和非限制性的实施例或方面中，本发明提供了包含栅电路的本质安全栅，该栅电路包括：连接于栅电路的阴极节点和栅电路的接地节点之间的齐纳二极管，齐纳二极管的阳极被连接到栅电路的接地节点，齐纳二极管的阴极被连接到栅电路的阴极节点；连接于栅电路的阴极节点和栅电路的输出节点之间的阻塞二极管，其被定向以仅从栅电路的阴极节点向栅电路的输出节点传递电流；以及具有第一端和第二端的栅网络熔丝，其中栅网络熔丝的第一端被耦合到栅电路的阴极节点。
本发明的优选和非限制性的各种实施例或方面将被描述，并在以下编号的条款中阐述：
条款1：一种本质安全栅，该本质安全栅包括被并联连接的x个栅电路，其中每个栅电路包括：阴极节点、输出节点和接地节点；熔丝，该熔丝被连接于该本质安全栅的该阴极节点和输入节点之间；y个齐纳二极管，该y个齐纳二极管被并联连接于该栅电路的该阴极节点与该栅电路的该接地节点之间，每个齐纳二极管的阳极被连接到该栅电路的该接地节点，并且每个齐纳二极管的阴极被连接到该栅电路的该阴极节点；以及z个阻塞二极管，该z个阻塞二极管被串联连接于在该栅电路的该阴极节点和该栅电路的该输出节点之间，并且该z个阻塞二极管被定向以仅从该栅电路的该阴极节点向该栅电路的该输出节点传递电流，其中：该x个栅电路的该输出节点被耦合在一起，以定义该本质安全栅的VDCout节点；并且该x个栅电路的该接地节点被耦合到电接地。
条款2：根据条款1的本质安全栅，其中：x≥2；y≥2；并且z≥2。
条款3：根据条款1或2的本质安全栅，其中，对于每个栅电路：经串联连接的该z个阻塞二极管中的第一个阻塞二极管的阳极被连接到该栅电路的该阴极节点；经串联连接的该z个阻塞二极管中的该第一个阻塞二极管的阴极被连接，以向经串联连接的该z个阻塞二极管中的最后一个阻塞二极管的阳极供应电流；并且经串联连接的该z个阻塞二极管中的该最后一个阻塞二极管的阴极被连接到该栅电路的该输出节点。
条款4：根据条款1至3中任一项的本质安全栅，其中：该Vin节点被配置为被连接到AC或DC供电设备，该AC或DC供电设备未被配置为是本质安全的；并且该VDCout节点被配置为被连接到耗电设备，该耗电设备被配置为是本质安全的，或者该耗电设备被配置为在被从该VDCout节点断开连接之后被用于危险区域内，其中本质安全是指不能够产生足以点燃爆炸性空气的热量或火花。
条款5：根据条款1至4中任一项的本质安全栅，其中每个栅电路还包括电阻器，该电阻器与在该栅电路的该阴极节点和该栅电路的该输出节点之间的该z个阻塞二极管串联。
条款6：根据条款1至5中任一项的本质安全栅，还包括在该VDCout节点和电接地之间的m个齐纳二极管，其中该m个齐纳二极管中的每一个齐纳二极管的阳极被连接到该电接地，该m个齐纳二极管中的每一个齐纳二极管的阴极被连接到该VDCout节点，并且该m个齐纳二极管中的每一个齐纳二极管被配置为提供在该VDCout节点处的瞬态过电压(静电放电)保护。
条款7：根据条款1至6中任一项的本质安全栅，其中m≥1。
条款8：根据条款1至7中任一项的本质安全栅，其中从VDCout节点输出的本质安全的直流电流其中x是栅网络熔丝的总数目，并且是栅网络熔丝x的电流额定值。
条款9：根据条款1至8中任一项的本质安全栅，其中从VDCout节点输出的最大电流(Imax)≥1.7IDCout。
条款10：根据条款1至9中任一项的本质安全栅，其中在Vin电压为250VAC或354VDC时，每个栅网络熔丝具有<1安培的熔断电流额定值以及≥1,500安培的分断额定值。
条款11：根据条款1至10中任一项的本质安全栅，其中每个阻塞二极管是肖特基二极管。
条款12：一种本质安全栅，该本质安全栅包括：栅电路，该栅电路包括：多个齐纳二极管，该多个齐纳二极管被并联连接于该栅电路的阴极节点和该栅电路的接地节点之间，每个齐纳二极管的阳极被连接到该栅电路的该接地节点，并且每个齐纳二极管的阴极被连接到该栅电路的该阴极节点；多个阻塞二极管，该多个阻塞二极管被串联连接于该栅电路的该阴极节点和该栅电路的输出节点之间，该多个阻塞二极管被定向以仅从该栅电路的该阴极节点向该栅电路的该输出节点传递电流；以及栅网络熔丝，该栅网络熔丝具有第一端和第二端，其中该栅网络熔丝的该第一端被耦合到该栅电路的该阴极节点。
条款13：根据条款12的本质安全栅，其中每个阻塞二极管是肖特基二极管。
条款14：根据条款12或13的本质安全栅，还包括电阻器，该电阻器与在该栅电路的该阴极节点和该输出节点之间的该多个阻塞二极管串联。
条款15：根据条款12至14中任一项的本质安全栅，还包括：经并联连接的多个栅电路，该多个栅电路的输出节点被耦合在一起；以及多个栅网络熔丝，该多个栅网络熔丝中的每一个栅网络熔丝的该第一端被耦合到该栅电路中的单个栅电路的该阴极节点，并且该多个栅网络熔丝的该第二端被耦合在一起。
条款16：根据条款12至15中任一项的本质安全栅，其中：该多个栅网络熔丝的经耦合在一起的该第二端被连接到AC或DC供电设备，该AC或DC供电设备未被配置为是本质安全的；并且该多个栅电路的经耦合在一起的该输出节点被连接到耗电设备，该耗电设备被配置为本质安全的，或者该耗电设备被配置为在从该VDCout节点断开连接之后被用于危险区域内，其中本质安全是指不能够产生足以点燃爆炸性空气的热量或火花。
条款17：根据条款12至16中任一项的本质安全栅，还包括在输出节点和接地节点之间的至少一个齐纳二极管，其中至少一个齐纳二极管的阳极被连接到接地节点，至少一个齐纳二极管的阴极被连接到输出节点。
条款18：根据条款12至17中任一项的本质安全栅，其中至少一个齐纳二极管被配置为提供在该输出节点处的瞬态过电压(静电放电)保护。
条款19：一种本质安全栅操作的方法，包括：(a)响应于在该本质安全栅的阴极节点处的AC或DC输入电压，在该本质安全栅的该阴极节点处建立比该输入电压更低的电压；(b)在该本质安全栅的输出节点处建立比在该本质安全栅的该阴极节点处建立的该电压更低的电压；以及(c)在步骤(b)的同时，限制在从该阴极节点到该输出节点的方向上的电流。
条款20：根据条款19的方法，其中比该输入电压更低的该电压是经由齐纳二极管来建立的。
条款21：一种本质安全栅，包括：
栅电路，该栅电路包括：齐纳二极管，该齐纳二极管被连接于该栅电路的阴极节点和该栅电路的接地节点之间，该齐纳二极管的阳极被连接到该栅电路的该接地节点，并且该齐纳二极管的阴极被连接到该栅电路的该阴极节点；阻塞二极管，该阻塞二极管被连接于该栅电路的该阴极节点和该栅电路的输出节点之间，该阻塞二极管被定向以仅从该栅电路的该阴极节点向该栅电路的该输出节点传递电流；以及栅网络熔丝，该栅网络熔丝具有第一端和第二端，其中该栅网络熔丝的该第一端被耦合到该栅电路的该阴极节点。
当参照附图考虑以下描述和所附权利要求时，本发明的这些和其它特征和特性，以及操作方法、结构的相关元件的功能、部件的组合和制造的经济性将变得明显。全部附图构成本说明书的一部分，其中相同的附图标记指代各图中的对应部分。然而，应当明确地理解，附图仅仅是用于说明和描述的目的，并不旨在作为本发明的限制的定义。如说明书和权利要求中所使用的，除非上下文另有明确规定，单数形式的“一个”和“该”包括复数指示物。
附图说明
图1是根据本发明的原理的本质安全栅的电路图，其包括多个并联栅电路；
图2是根据本发明的原理的电压相对于时间的曲线图，其示出了图1的栅电路的阴极和输出节点处响应于DC电压输入的电压；以及
图3是根据本发明的原理的电压相对于时间的曲线图，其示出了图1的栅电路的阴极和输出节点处响应于AC电压输入的电压。
具体实施方式
应当理解，本发明可以假定各种备选变化和步骤顺序，除非明确有相反的规定。还应当理解，附图中所图示并且在下面的说明书中所描述的特定设备和过程仅仅是本发明的示例性实施例。因此，与本文公开的实施例相关的特定尺寸和其他物理特性不应当被认为是限制性的。本发明的某些优选和非限制性实施例或方面将参考附图来描述。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，本发明提供了用于调节电功率的本质安全栅，该电功率从未被配置为本质安全的AC或DC供电的设备(例如，耗电设备)被提供到被配置为本质安全的DC耗电设备或DC供电的设备。如本文所使用的，“本质安全输出”是指关联装置的输出不能传递比在同一接口处由被连接关联装置的本质安全设备的认证所允许的电压和电流的量大的电压和电流。
参照图1，本质安全栅2包括x个栅电路4-1、4-2...4-x。虽然图1示出了具有三个栅电路4的本质安全栅2，但是可以想到本质安全栅2可以具有少至两个栅电路4。此外，栅电路4的最大数量不受限制，因为本质安全栅2的栅电路4的最大数量由本质安全栅2向本质安全的DC耗电(或供电)设备输出的最大电流IDCout确定。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，每个栅电路4具有基本相同的电路拓扑结构。因此，为了简单起见，栅电路4-1的电路拓扑结构将被描述作为剩余栅电路(例如4-2...4-x)的电路拓扑结构的代表。栅电路4-1包括阴极节点6-1、输出节点8-1和接地节点10-1。
在图示的实施例或方面中，三个齐纳二极管12-1、12-2和12-3在阴极节点6-1和接地节点10-1之间被并联连接。每个齐纳二极管12的阳极连接到接地节点10-1，而每个齐纳二极管12的阴极连接到阴极节点6-1。虽然图1图示了三个齐纳二极管12，但是可以想到，栅电路4-1可以包括少至两个齐纳二极管12。此外，栅电路4-1的齐纳二极管12的最大数目可以是大于2的任何数目，其中齐纳二极管12的实际数量由应用所要求的本质安全级别来确定。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，三个阻塞二极管14-1、14-2和14-3被连接于栅电路4-1的阴极节点6-1和输出节点8-1之间，该阻塞二极管在一个优选和非限制性的实施例或方面中是肖特基二极管。这些阻塞二极管14被定向以仅将电流从阴极节点6-1传递到输出节点8-1。虽然图1示出了三个串联连接的阻塞二极管14，但是可以想到，栅电路4可以包括三个以上的串联连接的阻塞二极管14。串联连接的阻塞二极管14的实际数目可以由每个阻塞二极管14的电气额定值和要在栅电路4-1的输出节点8-1上输出的期望电压和电流来确定。
栅电路的4-1、4-2...4-x的输出节点8-1、8-2...8-x被耦合在一起以定义本质安全栅2的VDCout节点。类似地，栅电路4-1、4-2...4-x的接地节点10-1、10-2...10-x被耦合到整个图1所示的电接地或系统接地16。应当理解，图1中每个电接地或系统接地16被耦合到相同的地电位。
最后，本质安全栅2还包括栅网络熔丝18-1、18-2...18-x。每个栅网络熔丝18的第一端被耦合到对应栅电路4的阴极节点6。栅网络熔丝18的(多个)第二端被耦合在一起以定义输入节点(Vin)。每个栅电路4包括对应的栅网络熔丝18。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，栅电路4的每个齐纳二极管12的功率额定值(PZ)优选为：
PZ＝(fos)x(FF)Ifuse x VzMAX,
其中fos＝预定的安全因子；
FF＝熔丝因子，其可以例如但不限于≥1.7；
Ifuse＝栅电路4的栅网络熔丝18的电流额定值；以及
VzMAX＝齐纳二极管12的最大额定齐纳电压，例如，对于具有齐纳电压额定值(VZ)＝10伏特±5％的齐纳二极管，VzMAX＝10.5伏特。
在栅电路4-1中可以看出，阻塞二极管14-1的阳极被连接到阴极节点6-1，并且阻塞二极管14-1的阴极被连接到阻塞二极管14-2的阳极。阻塞二极管14-2的阴极被连接到阻塞二极管14-3的阳极，阻塞二极管14-3(或串联连接的阻塞二极管的最后一个阻塞二极管)的阴极被连接到栅电路4-1的输出节点8-1。
在使用中，Vin节点被配置为连接到未被配置为本质安全的AC或DC供电的设备。换言之，在最严重的故障条件下，AC或DC供电的设备能够产生无限制的电压和电流，能够损坏其将被连接到的本质安全设备中的保护部件和结构。在各种实施例中，在故障条件下向本质安全栅2的Vin节点提供功率的AC或DC供电的设备可以是开关式DC电源、单相AC线路电压、AC-DC转换器、DC-AC逆变器、AC或DC供电的电池或仪器充电系统，或任何其他类似的供电的设备(例如，耗电设备)，该供电的设备未被设计为本质安全，并且能够在最严重的故障条件下产生无限制的电压和电流，损坏其将被连接到的本质安全设备中的保护部件和结构。
在相应的阴极节点6和输出节点8之间，每个栅电路4-1，4-2...4-x可以包括可选的电阻器20-1、20-2...20-x，电阻器20-1、20-2...20-x与栅电路4的串联连接的阻塞二极管14串联连接。每个可选电阻器20支持控制每个栅电路4的最大电流输出，以及裁剪每个栅电路4的最大电压输出。本领域技术人员可以选择每个电阻器的值(≥0欧姆)以满足特定应用。
可选地，本质安全栅2还可以包括VDCout节点和电接地16之间的一个或多个齐纳二极管22。虽然图1示出了两个可选的齐纳二极管22-1和22-2，但是可以基于每个齐纳二极管的额定值和将在VDCout节点处提供的最大瞬态过电压保护来选择齐纳二极管22的数目。在这方面，一个或多个齐纳二极管22被配置为在VDCout节点处提供瞬态过电压(静电放电(ESD))保护。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，从VDCout的节点输出的本质安全DC输出电流其中x是栅网络熔丝的总数目，以及是栅网络熔丝x的电流额定值。此外，期望地，从VDCout节点额定输出的最大本质安全电流(实体参数)(Imax)≥1.7IDCout。在一个优选和非限制性的实施例或方面中，在Vin电压为250VAC或354VDC时，期望每个栅网络熔丝18具有<1安培的熔断电流额定值，以及≥1,500安培的中断额定值。
可以看出，本发明在Vin节点处未被设计为具有本质安全输出的AC或DC供电的设备和耗电设备之间提供了本质安全栅，该耗电设备被设计为在包含爆炸性空气的环境中使用的一种装置，在该环境中不能容忍足以点燃爆炸性空气的热量或者火花，凭借该装置，在最严重的故障条件下，电压和电流水平不能损坏其将被连接到的本质安全设备中的保护部件和结构。
继续参考图1，在另一个优选和非限制性的实施例或方面中，每个栅电路4的齐纳二极管10、可选电阻器6、以及阻塞二极管20与所有其他电路被分隔以最小距离D1。每个栅电路4的阴极节点6与AC或DC供电的设备被分隔以最小距离D2，其跨过栅网络熔丝18的导电触点之间的最小间隔。此外，每个栅电路4的阴极节点6与AC或DC电动设备被分割以最小距离D2，其跨过每个栅电路4的阴极节点6和所有其他电路之间的间隔。独立地选择这些距离D1和D2，以便根据特定应用的需要在每个栅电路4及其对应的栅网络熔丝18周围提供一定程度的分隔。
在一个示例性的非限制性实施例或方面中，120VAC至250VAC的供电电池充电电路被连接到Vin端子26，并且齐纳二极管12的齐纳电压(Vz)是10.5V。距离D1是2.0毫米。距离D1选择以符合标准IEC60079-11:2011的表5所列的间隔，以免由连接到其他DC电路的间隔故障的应用使栅电路4提供的保护无效，另外电压被限制为10.5VDC。距离D2由栅网络熔丝18的导电触点之间的最小间隔确定，距离D2被选择为符合标准IEC60079-11:2011的表5所列的间隔，以免由连接到120VAC至250VAC的供电电池充电电路的间隔故障的应用使栅电路4提供的保护无效。
作为示例而非限制，每个齐纳二极管12是1N53Y7BG齐纳二极管，每个阻塞二极管14是MBR0520肖特基二极管，每个栅网络熔丝18是额定为125毫安的Littelfuse242系列的栅熔丝，并且在250VDC下具有4,000安培的中断额定值。最后，在该示例中，每个齐纳二极管22是ESDDA14V2L齐纳二极管。由于这些部件的电气特性容易获得，为了简单起见，本文不对这些电气特性进行描述。此外，这些特定部件的列出是示例性的，并且不应被解释为限制本发明，因为可以预想本领域普通技术人员可以以任何合适的和/或期望的方式来选择适当的齐纳二极管和阻塞二极管以满足特定应用。
因此，已经描述了本质安全栅2，现在对本质安全栅2的操作进行描述。
参考图2并继续参考图1，响应于Vin端子26处的DC电压的输入(无论是通过设计或由于故障)，该DC电压大于每个栅电路4的齐纳二极管12的齐纳电压(Vz)额定值，该齐纳二极管12运作以在阴极节点6处建立与该齐纳二极管12的齐纳电压(Vz)相等的电压。响应于阴极节点6处的齐纳电压(Vz)，电压VDCout将出现在输出节点8上，其中VDCout等于Vz减去跨串联连接的阻塞二极管14以及电阻器20(如果存在)的电压降。然而，为了认证目的，VDCout可以被认为是阴极节点6处的(Vz)，由此阴极节点6和输出节点8之间的电压降，即串联连接的阻塞二极管14以及电阻器20(如果存在)上的电压降，被认为是零伏特。因为并联连接的栅电路4中的每一个栅电路都是相同的，所以多个栅电路4的输出电压等于VDCout。然而，因为该栅电路被并联连接，所以本质安全栅2可以递送的输出电流(IDCout)是并联连接的单个栅电路4能够输出的电流之和。
参考图3并继续参考图1，响应于Vin端子26处的AC电压的输入(无论是通过设计或由于故障)，多个栅电路4中每一个栅电路的齐纳二极管12以本领域已知的方式运作以对该传入AC电压进行半波整流。因此，VDCout终端24处的VDCout电压等于每个栅电路4的阴极节点6处的半波整流齐纳电压(Vz)减去串联连接的阻塞二极管14以及电阻器20(如果提供)上的电压降。由于VDCout终端24处的VDCout是半波整流电压信号，所以类似地，VDCout端子24处的IDCout是半波整流电流信号。
因为本质安全栅2的多个栅电路4并联连接，本质安全栅2可以递送的最大输出电流(IDCout)是每个栅电路4能够输出的电流之和。由于多个栅电路4并联连接，所以每个栅电路4的输出节点8上的电压输出将相同。
本质安全栅2是本质安全标准IEC60079-11：2011的最新版本(和基于该标准的其他国际标准)所呈现的技术挑战的解决方案，特别是条款6.2.5第三节，在此它一般性地声明：保护电路和部件可以驻留于本质安全装置或非危险区域设备中。如果保护电路的任何部分位于非危险区域附件中，则应当根据本标准进行评估，并且在文件中声明非危险区域附件。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，本质安全栅2可以利用现成的小型印刷电路板部件和/或额定低功率/电流分立部件制成。本质安全栅2被配置用于实现期望的输出电压和电流水平，通过根据需要并联x(其中x≥2)个栅电路4以提供本质安全的、有限的累加IDCout电流以及本质安全的、有限的VDCout电压。本质安全栅2的Vin端子26可以被连接到关联装置的输出连接设施，例如，电池充电电路的输出。依次地，本质安全栅2的VDCout端子24可以被连接到本质安全设备的输入连接设施，例如位于非危险区域的本质安全设备内的可充电电池。
使用本质安全栅2的一个益处是：提供期望的本质安全的有限电压和期望的本质安全的有限电流，该有限电压和有限电流在并入本质安全栅以作为其设计的一部分的关联装置的连接设施处可获得。特别地，在一个优选和非限制性的实施例或方面中，每个栅电路4包括低电流(<1安培)栅网络熔丝18(根据IEC60079-11：2011的7.3条款构造)。如果本质安全栅2的输入被直接连接到达到和包含250VAC或354VDC的线电压(假设本质安全栅2通过了IEC60079-11：2011的10.8条款所描述的功率脉冲测试)，则其不仅允许在施加安全系数的情况下相应的齐纳二极管12(使用最大容忍的Vz)的功率的适当的额定，也提供了该标准所需要的必需的电气和机械隔离，。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，为了消除本质安全栅2对于来自线电压的故障的情形的评估，经IEC60950-1，第二版，2005-12(或相似)认证的电源，被期望地用于与Vin端子26耦合的电池充电电路的电源，由此本质安全栅2位于充电电路的输出连接设施上。
在另一个优选和非限制性的实施例或方面中，其中与Vin终端26耦合的电源是电池充电器，如果电源被认证符合IEC60950-1，第2版，2005-12(或类似)，并具有符合IEC60079-11：2011的针对线路电压危险的适当保护，则任何电源(由制造商制造)或电源(由制造商制造)和电池充电电路的组合可以被使用，而无需对本质安全栅2的代理本质安全认证的进一步评估，或者对正在通过本质安全栅2进行充电的本质安全设备的代理本质安全认证的进一步评估。
在一个优选和非限制性的实施例或方面中，到达每个齐纳二极管12的功率被计算为：
P＝1.7Ifuse x Vzmax,(公式1)
其中Vzmax是齐纳二极管12的最大额定齐纳电压。
每个齐纳二极管12的温度额定值可以被确定为：
TJmax≥(fos x P x RθJA)+Tamb+5℃,(公式2)
其中5℃是来自EN60079-0的最高表面温度要求，
TJmax是其数据手册中声明的齐纳二极管的最大允许结温，
fos是安全因子，例如，根据IEC60079-11：2011的5.2条款等为1或1.5，
P是根据上述公式1确定的到达每个齐纳的功率，
RθJA是来自齐纳二极管的数据手册中结点到环境的耐热性，单位为开尔文度数(或摄氏度)每瓦特，以及
Tamb是齐纳二极管可以工作的最高环境温度。
尽管基于当前被认为是最实用和优选的实施例，出于说明的目的，对本发明已经详细地进行了描述，但是应当理解，这样的细节仅仅是为了该目的，并且本发明不限于所公开的实施例，与此相反本发明旨在覆盖在所附权利要求的精神和范围内的修改和等同单元。例如，应当理解，本发明预期，在可能的范围内任何实施例的一个或多个特征可以与任何其它实施例的一个或多个特征组合。
Claims (21)
1.一种本质安全栅，所述本质安全栅包括被并联连接的x个栅电路，其中每个栅电路包括：
阴极节点、输出节点和接地节点；
熔丝，所述熔丝被连接于所述本质安全栅的所述阴极节点和输入节点之间；
y个齐纳二极管，所述y个齐纳二极管被并联连接于所述栅电路的所述阴极节点与所述栅电路的所述接地节点之间，每个齐纳二极管的阳极被连接到所述栅电路的所述接地节点，并且每个齐纳二极管的阴极被连接到所述栅电路的所述阴极节点；以及
z个阻塞二极管，所述z个阻塞二极管被串联连接于在所述栅电路的所述阴极节点和所述栅电路的所述输出节点之间，并且所述z个阻塞二极管被定向以仅从所述栅电路的所述阴极节点向所述栅电路的所述输出节点传递电流，其中：
所述x个栅电路的所述输出节点被耦合在一起，以定义所述本质安全栅的VDCout节点；并且
所述x个栅电路的所述接地节点被耦合到电接地。
2.根据权利要求1所述的本质安全栅，其中：
x≥2；
y≥2；并且
z≥2。
3.根据权利要求1所述的本质安全栅，其中，对于每个栅电路：
经串联连接的所述z个阻塞二极管中的第一个阻塞二极管的阳极被连接到所述栅电路的所述阴极节点；
经串联连接的所述z个阻塞二极管中的所述第一个阻塞二极管的阴极被连接，以向经串联连接的所述z个阻塞二极管中的最后一个阻塞二极管的阳极供应电流；并且
经串联连接的所述z个阻塞二极管中的所述最后一个阻塞二极管的阴极被连接到所述栅电路的所述输出节点。
4.根据权利要求1所述的本质安全栅，其中：
所述Vin节点被配置为被连接到AC或DC供电设备，所述AC或DC供电设备未被配置为是本质安全的；并且
所述VDCout节点被配置为被连接到耗电设备，所述耗电设备被配置为是本质安全的，或者所述耗电设备被配置为在被从所述VDCout节点断开连接之后被用于危险区域内，其中本质安全是指不能够产生足以点燃爆炸性空气的热量或火花。
5.根据权利要求1所述的本质安全栅，其中每个栅电路还包括电阻器，所述电阻器与在所述栅电路的所述阴极节点和所述栅电路的所述输出节点之间的所述z个阻塞二极管串联。
6.根据权利要求1所述的本质安全栅，还包括在所述VDCout节点和电接地之间的m个齐纳二极管，其中所述m个齐纳二极管中的每一个齐纳二极管的阳极被连接到所述电接地，所述m个齐纳二极管中的每一个齐纳二极管的阴极被连接到所述VDCout节点，并且所述m个齐纳二极管中的每一个齐纳二极管被配置为提供在所述VDCout节点处的瞬态过电压(静电放电)保护。
7.根据权利要求6所述的本质安全栅，其中m≥1。
8.根据权利要求1所述的本质安全栅，其中从所述VDCout节点输出的本质安全的DC电流其中x是栅网络熔丝的总数目，并且是栅网络熔丝x的电流额定值。
9.根据权利要求8所述的本质安全栅，其中从所述VDCout节点输出的最大电流(Imax)≥1.7IDCout。
10.根据权利要求1所述的本质安全栅，其中在Vin电压为250VAC或354VDC时，每个所述栅网络熔丝具有<1安培的熔断电流额定值以及≥1,500安培的分断额定值。
11.根据权利要求1所述的本质安全栅，其中每个阻塞二极管是肖特基二极管。
12.一种本质安全栅，所述本质安全栅包括：
栅电路，所述栅电路包括：
多个齐纳二极管，所述多个齐纳二极管被并联连接于所述栅电路的阴极节点和所述栅电路的接地节点之间，每个齐纳二极管的阳极被连接到所述栅电路的所述接地节点，并且每个齐纳二极管的阴极被连接到所述栅电路的所述阴极节点；
多个阻塞二极管，所述多个阻塞二极管被串联连接于所述栅电路的所述阴极节点和所述栅电路的输出节点之间，所述多个阻塞二极管被定向以仅从所述栅电路的所述阴极节点向所述栅电路的所述输出节点传递电流；以及
栅网络熔丝，所述栅网络熔丝具有第一端和第二端，其中所述栅网络熔丝的所述第一端被耦合到所述栅电路的所述阴极节点。
13.根据权利要求12所述的本质安全栅，其中每个阻塞二极管是肖特基二极管。
14.根据权利要求12所述的本质安全栅，还包括电阻器，所述电阻器与在所述栅电路的所述阴极节点和所述输出节点之间的所述多个阻塞二极管串联。
15.根据权利要求12所述的本质安全栅，还包括：
经并联连接的多个栅电路，所述多个栅电路的输出节点被耦合在一起；以及
多个栅网络熔丝，所述多个栅网络熔丝中的每一个栅网络熔丝的所述第一端被耦合到所述栅电路中的单个栅电路的所述阴极节点，并且所述多个栅网络熔丝的所述第二端被耦合在一起。
16.根据权利要求15所述的本质安全栅，其中：
所述多个栅网络熔丝的经耦合在一起的所述第二端被连接到AC或DC供电设备，所述AC或DC供电设备未被配置为是本质安全的；并且
所述多个栅电路的经耦合在一起的所述输出节点被连接到耗电设备，所述耗电设备被配置为本质安全的，或者所述耗电设备被配置为在从所述VDCout节点断开连接之后被用于危险区域内，其中本质安全是指不能够产生足以点燃爆炸性空气的热量或火花。
17.根据权利要求12所述的本质安全栅，还包括在所述输出节点和所述接地节点之间的至少一个齐纳二极管，其中所述至少一个齐纳二极管的阳极被连接到所述接地节点，所述至少一个齐纳二极管的阴极被连接到所述输出节点。
18.根据权利要求12所述的本质安全栅，其中至少一个齐纳二极管被配置为提供在所述输出节点处的瞬态过电压(静电放电)保护。
19.一种本质安全栅操作的方法，包括：
(a)响应于在所述本质安全栅的阴极节点处的AC或DC输入电压，在所述本质安全栅的所述阴极节点处建立比所述输入电压更低的电压；
(b)在所述本质安全栅的输出节点处建立比在所述本质安全栅的所述阴极节点处建立的所述电压更低的电压；以及
(c)在步骤(b)的同时，限制在从所述阴极节点到所述输出节点的方向上的电流。
20.根据权利要求19所述的方法，其中比所述输入电压更低的所述电压是经由齐纳二极管来建立的。
21.一种本质安全栅，包括：
栅电路，所述栅电路包括：
齐纳二极管，所述齐纳二极管被连接于所述栅电路的阴极节点和所述栅电路的接地节点之间，所述齐纳二极管的阳极被连接到所述栅电路的所述接地节点，并且所述齐纳二极管的阴极被连接到所述栅电路的所述阴极节点；
阻塞二极管，所述阻塞二极管被连接于所述栅电路的所述阴极节点和所述栅电路的输出节点之间，所述阻塞二极管被定向以仅从所述栅电路的所述阴极节点向所述栅电路的所述输出节点传递电流；以及
栅网络熔丝，所述栅网络熔丝具有第一端和第二端，其中所述栅网络熔丝的所述第一端被耦合到所述栅电路的所述阴极节点。
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