DE10132415A1 - Schutz von eigensicheren Schaltungen - Google Patents

Abstract

Der Schutz von Schaltkreisen, die möglicherweise in Brand geraten können, wird durch ein Spannungsversorgungssystem erzielt, das eine Spannungsversorgung (10) umfaßt, die durch eine Spannungsverteilungsleitungsanordnung mit einem oder mehreren Modulen verbunden ist, wobei das oder jedes Modul eine eigensichere Schaltung umfaßt, die eine Last (12), ein Abtastmittel (D2) zum Detektieren einer der Last zugeführten Spannung und einen schnellwirkenden Schalter (TR1) enthält, der so angeordnet ist, daß er ansprechend auf die Feststellung einer Abnahme der zugeführten Spannung die Last (12) auf solche Weise abtrennt, daß verhindert wird, daß jegliche Serienunterbrechung stromaufwärts des Schalters (TR1) in einen Zustand gelangt, daß sie in Brand geraten kann.

Description

Die Erfindung betrifft den Schutz von eigensicheren Schaltun­ gen, die unter Umständen in Brand geraten können. Sie betrifft insbesondere den Schutz von eigensicheren Schaltungen, die in explosionsgefährdeten Bereichen, beispielsweise in Gegenwart von zündfähigen Gasen, arbeiten.

In Systemen, bei denen Spannungsversorgungen eine Anzahl von Funktionsmodulen mit Spannung versorgen, besteht dort, wo zündfähige Gase vorhanden sein können, ein Bedürfnis sicherzu­ stellen, daß das System sicher ist. Dies bedeutet, daß die Leitung zwischen den Spannungsversorgungen und den Modulen irgendwie geschützt werden muß, so daß sie nicht in Brand ge­ raten kann, sogar wenn die Module bei laufendem System abge­ steckt bzw. abgezogen werden. Ein Weg, dies zu erreichen, be­ steht darin, elektronische Leistungs-/Spannungsbegrenzer im Ausgang jeder der Spannungsversorgungen vorzusehen. Diese Lei­ stungsbegrenzer legen die maximale Ausgangsspannung fest und begrenzen den Kurzschlußstrom. Diese Leistungsbegrenzer sind jedoch recht kompliziert, da sie die widersprechenden Anforde­ rungen erfüllen sollen, genau zu sein, jedoch schnell zu ar­ beiten. Diese Kompliziertheit muß vervielfältigt werden, um die Anforderungen weiterer, genauerer Systeme zu erfüllen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mittel zum Schutz von eigensicheren Schaltungen, die in Brand geraten können, vorzusehen, bei dem ein einfacheres System als die verhältnismäßig komplizierten, herkömmlichen Leistungsbe­ grenzer verwendet wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Mittel vorzusehen, durch welches der Leitung und jeglichen Steckern und Buchsen entlang des Weges vollständiger Schutz geboten wird. Unter der Voraussetzung, daß die Induktanz- und Kapazitätsgrenzen nicht überschritten werden, wird die Leitung von der Spannungsver­ sorgung zu den Modulen gewünschtermaßen gegen Fehler bei offe­ nem Stromkreis oder offener Leitung und Kurzschluß geschützt, so daß keine Spezialkonstruktion benötigt wird.

Bei einer Anlage oder Anordnungen, bei denen die Leitung gut kontrolliert ist, kann die Segregation zwischen Leitern in der Konstruktion der Schaltungsanordnung gesteuert bzw. kontrol­ liert werden. Wenn diese Segregation zuverlässig gemacht wird, brauchen dann Kurzschlußfehler nicht berücksichtigt zu werden und man muß lediglich gegen Serienbrüche bzw. -unterbrechungen schützen. Hierzu sind einfachere Schutzmethoden angemessen.

Wenn man lediglich das Interesse auf Serienbrüche bzw. -unter­ brechungen richtet, beseitigt dies die Einschränkung, den elektronischen Schutz stromaufwärts der zu schützenden Leitung bzw. Leitungsanordnung anzubringen. Er muß sich lediglich ir­ gendwo in Serie mit der eigensicheren Schaltung befinden. Die Bedeutung von diesem Schutz gemäß der Erfindung zu erreichen, geht aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Schutz von eigensi­ cheren Schaltungen geschaffen worden, bei dem eine Spannung über einen Versorgungskreis an eine Last angelegt wird, wel­ ches umfaßt, daß die Spannung an der Last abgetastet wird, und in dem Fall, daß eine Abnahme der Spannung festgestellt wird, die Last auf solche Weise getrennt oder abgeschaltet wird, daß verhindert wird, daß jeglicher Serienbruch bzw. -unterbrechung im Versorgungskreis in einen Zustand gelangt, in dem er in Brand geraten kann.

Gemäß der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Schutz einer eigensicheren Schaltung geschaffen worden, die eine Last um­ faßt und die so angeordnet ist, daß sie über eine Versorgungs­ kreis mit einer Spannung aus einem Spannungsversorgungsmittel versorgt wird, wobei die Vorrichtung ein Abtastmittel, das angeordnet ist, um die besagte Spannung festzustellen, und ein Schaltungsmittel umfaßt, das angeordnet ist, in Reaktion auf die Feststellung einer Abnahme der besagten Spannung durch das Abtastmittel die Last auf solche Weise zu trennen oder abzu­ schalten, daß verhindert wird, daß jeglicher Serienbruch bzw. -unterbrechung in der Versorgungsschaltung, in einen Zustand gelangt, in dem er in Brand geraten kann.

Gemäß der Erfindung ist auch ein Versorgungssystem für eine eigensichere Schaltung geschaffen worden, umfassend ein Span­ nungsversorgungsmittel, ein mit dem Spannungsversorgungsmittel verbundenes Spannungsverteilmittel und wenigstens ein mit dem Spannungsverteilmittel verbundenes Modul, wobei das oder jedes Modul eine eigensichere Schaltung umfaßt, enthaltend eine Last, ein Abtastmittel zum Feststellen der der Last angelegten Spannung und ein Schaltmittel, das angeordnet ist, in Reaktion auf die Feststellung einer Abnahme der Spannung durch das Ab­ tastmittel die Last auf solche Weise zu trennen oder abzu­ schalten, daß verhindert wird, daß jeglicher Serienbruch bzw. -unterbrechung stromaufwärts des Schaltungsmittels in einen Zustand gerät, in dem er in Brand geraten kann.

Weitere Varianten und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, der Schutzvorrichtung und des Versorgungssystems sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zum vollständigeren Verständnis der Erfindung wird nun eine Anzahl von Schutzsystemen gemäß der Erfindung beispielhaft und mit Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben. Die­ se Darstellung dient jedoch lediglich zu Veranschaulichungs­ zwecken und soll die Erfindung nicht auf die gegebenen Bei­ spiele und Merkmalskombinationen einschränken. Ebenso soll die

Erfindung auch nicht auf die in den Unteransprüchen gegebenen Merkmalskombinationen beschränkt sein.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Veranschaulichung des Konzepts, das der vorlie­ genden Erfindung zugrunde liegt, bei dem die Span­ nung und der Strom, der bei einem Bruch bzw. einer Unterbrechung der Leitung abgetastet wird, einen Schalter öffnet;

Fig. 2 ein Schaltbild, das ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegen­ den Erfindung, bei dem ein Transistorschalter ver­ wendet wird;

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung;

Fig. 5 ein busversehenes Versorgungssystem gemäß der Erfin­ dung;

Fig. 6 einen einstufigen Detektions/Schaltkreis zur Verwen­ dung bei einem System gemäß der Erfindung;

Fig. 7 einen Kreis, der zur Unterstützung beim Hochfahren des Systems verwendet wird;

Fig. 8 eine Darstellung, wie der Kreis von Fig. 7 bei einer Kaskadenanordnung vervielfacht wird; und

Fig. 9 ein bekanntes Beispiel der Verwendung eines aktiven Spannungs- und Strombegrenzers zum Schutz gegen Lei­ tungskurzschlüsse und -unterbrechungen.

Die in Fig. 9 zur Veranschaulichung des Standes der Technik gezeigte Schaltung weist eine Spannungsversorgung 10, eine Last 12 und einen aktiven Spannungs- und Strombegrenzer 14 stromaufwärts der Last auf. Ein Stift 16 veranschaulicht einen Kurzschlußzustand und eine Unterbrechung in der Leitung ist bei 18 gezeigt. Der in Fig. 9 gezeigte aktive Begrenzer 14 schützt die Last dadurch, daß die Spannung und der Strom be­ grenzt werden, die für die Schaltung verfügbar sind, und die Werte unterhalb einer bekannten Grenze für das In-Brand-Gera­ ten gehalten werden. Dies ist jedoch nicht strikt erforder­ lich. Was benötigt wird, ist eine Beschränkung der Spannung und des Stroms, die zur Verfügung stehen, um einen Funken zu erzeugen, auf Werte unterhalb der Zündgrenze, d. h. der Grenze, bei der ein Brand auftreten kann.

Fig. 1 veranschaulicht das der vorliegenden Erfindung zugrun­ deliegende Konzept. A1 ist ein Spannungssensor, der die über die Unterbrechung 18 in der Schaltung hinweg erzeugte Spannung abtastet. A2 ist ein Stromsensor, der den hindurchfließenden Strom abtastet. Die beiden Sensoren A1 und A2 sind auf eine Weise kombiniert, die es dann ermöglicht, daß sich ein Schal­ ter 20 öffnet, bevor die Spannungs-/Strom-Kennlinie die be­ sagte Zündgrenze überschreitet. Es sei festgestellt, daß die für die Last 12 verfügbare Spannung jetzt nicht darauf einge­ schränkt ist, daß sie unterhalb der Zünd- bzw. Brandgrenze liegt.

Es sei auch festgestellt, daß die in Fig. 1 gezeigte Schaltung lediglich das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Kon­ zept veranschaulicht. Insbesondere ist lediglich die Leitung zwischen den Eingängen des Spannungssensors A1 geschützt.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfin­ dung, bei dem jetzt die gesamte Schaltung auf der Seite links vom Spannungssensor A1 geschützt ist. Der Spannungssensor A1 tastet jetzt die Spannung am Lastende der Schaltung ab, wobei die gesamte Leitung auf der linken Seite geschützt wird. Die Spannungsversorgung 10 ist nun zu der vom Spannungssensor A1 abgetasteten Spannung hinzugefügt, aber sie ist konstant und kann berücksichtigt werden. Was wichtiger ist, der Stromsensor A2 ist fortgelassen und die Ausgabe des Spannungssensors A1 wird direkt zum Schalter 20 gegeben. Es ist bekannt, daß es für Wasserstoff, die Gasgruppe, die am brennbarsten bzw. zünd­ fähigsten ist, unmöglich ist, eine Zündung mit einer Spannung zu erzielen, die geringer als etwa 8 Volt bei beliebigem Strom ist, vorausgesetzt, daß der Strom nicht ausreichend ist zu bewirken, daß heiße oder geschmolzene Metallpartikel von dem Kurzschlußkontakt fort gesprüht werden. Wenn die Spannung auf weniger als 8 Volt begrenzt wird, die zugelassen wird, um sich über einen Unterbrechungskontakt hinweg aufzubauen, ist dann eine präzise Stromgrenze nicht erforderlich. Bei einigen Vor­ richtungen kann es möglich sein, sich auf die Art der Last 12 zu verlassen, um den maximalen Strom zu bestimmen.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung ist lediglich wirksam, wenn der Spannungssensor A1 und der Schalter 20 ausreichend schnell sind. Die Erfahrung bei Gebrauch von aktiven Begrenzern legt es nahe, daß der Schutz innerhalb weniger Mikrosekunden funk­ tionieren muß. Es wurde über Forschung Bericht gegeben, die es nahelegt, daß die minimale Funkendauer, die das Herbeiführen einer Zündung ermöglicht, etwa 8 µs ist. Ein in einer Basis- Konfiguration arbeitender Transistor kann viel schneller als dies sein und kann in einer einfachen Schaltung konfiguriert werden, die sowohl die Abtast- als auch die Schaltfunktionen kombiniert. Fig. 3 zeigt dies schematisch.

In der Schaltungsanordnung von Fig. 3, die einen Transistor­ schalter 20 mit Basisschaltung zeigt, ist eine Zenerdiode 21 mit der Basis des Transistors verbunden. Die Spannung der Ze­ nerdiode 21 ist so gewählt, daß, wenn die Schaltung nicht un­ terbrochen ist, die Versorgungsspannung am Emitter des Schal­ ters 20 anliegt und der Basisstrom durch die Zenerdiode 21 gezogen wird. Der Transistorschalter 20 wird hart oder erzwun­ genermaßen eingeschaltet und der Strom wird der Last 12 zuge­ führt. Wenn ein Bruch bzw. eine Unterbrechung auftritt, wie bei 18 gezeigt ist, fällt die Spannung über die Bruchstelle ab, wenn sich ein Funke entwickelt, was dazu führt, daß die Emitterspannung des Transistors 20 abfällt. Wenn die Emitter­ spannung unter die Zenerspannung, plus den Emitter-Basis-Ab­ fall, abfällt, schaltet sich dann der Transistor 20 an einem vorbestimmten Punkt aus und trennt die Last 12 ab.

Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das diese Prinzipien verkörpert. Zu Klarheitszwecken und zur Verbesserung des Verständnisses der Erfindung sind die Span­ nungsversorgung, die Leitungs-/Versorgungs- bzw. Spannungsver­ teilung und das Modul, das sowohl die Last als auch den Trenn­ schalter enthält, separat durch die gestrichelten vertikalen Linien gezeigt. Steckverbindungen 19 zeigen, daß die Teile des Systems abgezogen werden können, um eine Unterbrechung des Stromkreises herbeizuführen. Zwischen den Emitter des Transi­ stors TR1 und die Spannungsversorgung 10 ist eine Reihendiode D1 geschaltet. Ein Widerstand R1 ist zwischen die Basis des Transistors TR1 und eine Zenerdiode D2 geschaltet. Ein zweiter Widerstand kann zwischen den Emitter und die Basis des Transi­ stors TR1 geschaltet sein. Der Widerstand R1 begrenzt den Ba­ sisstrom durch den Transistor TR1 auf etwa 15 mA.

Wenn links von TR1, D2 und R1 ein Bruch bzw. eine Unterbre­ chung aufgrund entweder eines Fehlers oder eines vorsätzlichen Abziehens auftritt, fällt die Spannung am Emitter ab, wenn über die Unterbrechungsstelle eine Spannung aufgebaut wird. Die Spannung der Zenerdiode D2 ist so gewählt, daß sich der Transistor TR1 ausschaltet, bevor der Funken ausreichende Energie zur Zündung erzeugt hat. Dieser Basisstrom wurde bei 24 V, 0,9 A getestet und es stellte sich heraus, daß er in Wasserstoff/Luft mit einer Zenerdiodenspannung so niedrig wie 10 V nicht in Brand geraten konnte.

Bei einer praktischen Testschaltung für diese Konzeption wurde eine Last von 26 Ohm verwendet, was zu einem Laststrom von etwa 850 mA führt, der normalerweise bei einem Konstantstrom­ kreis bis herunter zu etwa 12 Volt oder dergleichen zu einem Brand führen kann.

Die Schaltung wurde gemäß EN 50020 auf Funkenzündung getestet, wobei das explosive Testgemisch von 21% Wasserstoff in Luft verwendet wurde, das für Gase der Gruppe IIC spezifiert ist. Während dieses Tests wurde die Versorgungsspannung konstant bei 24 V gehalten, während die Spannung der Zenerdiode D2 fortschreitend herabgesetzt wurde, bis eine Zündung erfolgte. Zur selben Zeit wurde der Widerstand R1 so eingestellt und angepaßt, daß der Strom durch die Zenerdiode D2 auf etwa 15 mA beibehalten wurde. Die Wirkung der Herabsetzung der Zenerdio­ denspannung auf diese Weise bestand darin, daß die Spannung über den Funken vergrößert wurde, bevor sich der Transistor TR1 abschaltet.

Es gab keine Zündungen, bis die Funkenspannung etwa 12 V über­ schritt, was demonstrierte, daß die Schaltung den erwarteten Schutz liefert.

Der Aufbau und die Anordnung der Leitung zwischen der Span­ nungsversorgung und dem Modul ist so gesteuert und kontrol­ liert, daß Nebenschlußfehler nicht auftreten können. Serien­ fehler (Brüche, Unterbrechungen) werden durch den mittels des Schalters gelieferten Schutz nicht brandauslösend gemacht.

Die Spannungsversorgungsverbindung ist gerade so geschützt, wie dies bei der Modulverbindung der Fall ist, so daß sowohl die Spannungsversorgung, als auch das Modul unter Last bzw. bei Spannung sicher abgetrennt werden können.

Die Schaltungsanordnung rechts vom Transistor TR1 ist nicht geschützt und wird so ausgelegt, daß sie bei Verwendung ande­ rer Techniken nicht brandfähig ist.

Diese Schutzschaltung gemäß der Erfindung ist sehr einfach, als solche schnell und kann leicht in Kaskadenschaltung einge­ setzt (kaskadiert) werden.

Fig. 5 zeigt ein busversehenes Stromversorgungssystem, bei dem eine oder mehrere Spannungsversorgungen 10a, 10b (Fig. 2) eine Anzahl von Modulen 4, 3 speisen, die an einem Rückseiten- oder Spannungsversorgungsbus 30 angebracht sind. Die Module sind mit Lasten 12a, 12b, 12c gezeigt.

Der Schutz arbeitet ebenso gut bei Mehrfachmodulen wie bei einem einzigen Modul. Die Wirkung einer Unterbrechnung an ei­ ner gemeinsamen Stelle, die mehrere Module speist, ist äquiva­ lent zu einem Bruch bzw. einer Unterbrechung bei der Speisung eines einzelnen Moduls, wenn derselbe Gesamtstrom genommen wird.

• a) Wenn eine Spannungsversorgung 10a, 10b abgetrennt wird und die verbleibende Spannungsversorgung oder die ver­ bleibenden Spannungsversorgungen in der Lage sind, die Busspannung beizubehalten, wird an der Unterbrechungs­ stelle kein Funke erzeugt, da über sie keine Spannung aufgebaut wird. Dies ist so selbst ohne den Schaltschutz der vorliegenden Erfindung.
• b) Wenn eine Spannungsversorgung 10a, 10b abgetrennt wird und die Busspannung abfällt, entwickelt sich dann ein Funke an der Unterbrechungsstelle und das Schutzsystem der Erfindung wird wirksam, um zu verhindern, daß sie zu einem Brandauslöser werden (d. h. in Brand geraten) kann.

Die oben beschriebenen Schaltungen tolerieren keine Bauteil­ fehler, sind jedoch zur Verwendung in Umgebungen geeignet, bei denen die Gefahr von zündfähigem Gas weniger groß ist. Für Umgebungen der Zone 1 werden zusätzliche Anforderungen aufer­ legt. Diese umfassen:

• a) Die Schaltungsanordnung rechts von TR1, D2 und R1 ist durch den Schalter nicht geschützt und so muß die Anord­ nung jegliche möglicherweise brandauslösenden Ströme auf irgendeine andere Weise schützen. Eine Möglichkeit be­ steht in einer Volleinkapselung, aber sie ist ziemlich unelegant. Alternativ könnten die stromführenden Leiter­ bahnen bis zu dem Punkt zuverlässig gemacht werden, an dem sich die Schaltungsanordnung verzweigt, und der Strom in jedem Zweig wird durch andere Mittel begrenzt.
• b) Jedes Bauteil, von dem die Eigensicherheit abhängig ist, wobei es sich um die meisten handelt, muß bei sämtlichen Betriebsbedingungen bei zwei Dritteln seines hersteller­ seitigen Leistungsgrenzwertes laufen. (Außer es ist ein absehbarer Fehler in einem Nachbarbauteil aufgetreten und man kann sich nicht mehr auf das erste Bauteil für den Eigensicherheitsschutz verlassen).
• c) Der Schutz muß bei einem Fehler bzw. Ausfall beibehalten werden. Es werden zwei Schaltkreise (schaltende Kreise) in Kaskade benötigt, um dies zu erreichen.

Fig. 6 zeigt einen einstufigen Detektions-/Schaltkreis zur Verwendung gemäß der Erfindung. Da er einstufig ist, hat er keine Fehlertoleranz. Es ist jedoch einfacher, ihn in Betracht zu ziehen als eine zweistufige Implementierung.

Bei der folgenden Ziel-Spezifikation wird ein 24 V-System an­ genommen, wobei jedes Modul bis zu 0,5 A zieht. 24 V ist bei vielen Systemen eine zweckmäßige Versorgungsspannung und er­ laubt die Verwendung niedrigerer Ströme, was für einen gegebe­ nen verfügbaren Busstrom mehr Module pro Bus ermöglicht, und verringerte Spannungsabfälle.

Ziel-Spezifikation

Versorgungsspannungsbereich: 23 V bis 24 V
Versorgungsspannungssicherheitsgrenze: 26 V
Lastspannungsbereich: 21 V bis 24 V
minimale verfügbare Lastleistung: 10 W
minimaler verfügbarer Laststrom: 0,5 A
Eingangsendspannung: 20 V

"Last" bedeutet die Modulschaltungsanordnung, die von der Schutzschaltung gespeist wird.

Die Eingangsendspannung ist die minimale Spannung, bei der das Funktionieren des Schutzes garantiert wird.

Der Transistor TR1 und die Zenerdiode D2 sind der Transistor und die Zenerdiode, die in Fig. 4 gezeigt sind. Der Rest der Schaltung schützt im wesentlichen den Transistor TR1 gegen Überstrom und Überdissipation, das heißt Verluste.

Die Transistoren TR3 und TR4 wirken als Komparator, der die Summe der Spannung Vce des Transistors TR1 und des Spannungs­ abfalls über einen Stromabtastwiderstand R5 überwacht. Durch den durch den Widerstand R2, den Transistor TR3 und den Wider­ stand R3 gezogenen Strom wird eine im wesentlichen konstante Referenzspannung über den Widerstand R2 erzeugt. Bei Normalbe­ trieb ist die Emitterspannung des Transistors TR4 größer als diejenige des Transistors TR3, so daß der Transistor TR4 ein­ geschaltet wird und die Basisspannung des Transistors TR2 durch die Teilerwirkung der Widerstände R7 und R8 aus der Aus­ gangsspannung Vout festgesetzt wird.

Der Transistor TR2 und der Widerstand R1 definieren den Strom durch die Zenerdiode D2 und die Basis des Transistors TR1; beispielsweise etwa 5 mA. Der Zenerstrom in dieser Schaltung ist im Vergleich zu demjenigen in Fig. 5 noch weitergehend, das heißt nahezu, konstant. Jeder von dem Widerstand R1, dem Transistor TR2 und der Diode D2 können so dimensioniert wer­ den, daß sie einem Kurzschlußausfall entweder im Transistor TR2 oder der Diode D2 widerstehen.

Wenn die über den Transistor TR1 und den Stromgrenzabtastwi­ derstand R5 erzeugte Gesamtspannung die Referenzspannung über den Widerstand R2 übersteigt, schalten sich dann der Transi­ stor TR4 und der Transistor TR2 aus, wobei der Transistor TR1 ausgeschaltet wird, um diesen gegen Überstrom oder Überdissi­ pation (zu hohen Leistungsverlust) zu schützen.

Sobald der Transistor TR4 ausgeschaltet ist, wird die Schal­ tung verriegelt, wobei der Transistor TR1 ausgeschaltet und Vout = 0 sind. Der Widerstand R4 liefert ausreichend Strom, um einen Neustart der Schaltung zu gestatten, wobei es keinen signifikanten Laststrom gibt, bis der Transistor TR1 einge­ schaltet wird.

Die Eingangsdiode D1 stellt sicher, daß ausgehend von der in der Last gespeicherten Energie keine Rückspeisung möglich ist. Sie schützt auch eindeutig die Basis-Emitter-Verbindung des Transistors TR1 gegen Rückwärtsregelung, was unter Übergangs­ bedingungen auftreten könnte.

Die Diode D3 schützt die Basis-Emitter-Verbindung des Transi­ stors TR4 gegen Rückwärtsregelung, wenn Vout niedrig ist. Der Widerstand R6 beschränkt den aus Vin durch den Widerstand R2 und die Diode D3 gezogenen Strom.

C1 ist ein Miller-Kondensator zur Verlangsamung der Funktion der Transistoren TR4 und TR3, um für Einschwing- oder Über­ gangszustände eine gewisse Immunität bzw. Sicherheit zu bie­ ten. Die durch den Widerstand R5 definierte Stromgrenze dient nicht dazu, eine Funkenbildung zu verhindern. Er ist haupt­ sächlich ein Dimensionierungsschutz für den Transistor TR1 und braucht so nicht schneller als eine Sicherung zu sein. Diese Stromgrenze definiert auch den maximalen Laststrom, den das Modul anfordern kann. Er ist ein dichterer Schutz, als ihn eine Sicherung liefern würde, und er ist für die Konzeption der Modulschaltungsanordnung bezüglich der Wärmesicherheit vorteilhaft.

Ein Vorteil dieser Schaltung besteht darin, daß sie den Tran­ sistor TR1 sowohl gegen Überstrom als auch gegen Überdissipa­ tion schützt. Wenn Vin einen gut funktionierenden Wert hat, ist der Transistor TR1 hart (erzwungenermaßen) ein (hard on) und hat sehr geringen Verlust. Wenn Vin abfällt, schaltet sich der Transistor TR1 rasch ab und hat die Verlustleistung Null.

Das Anläufen des Systems muß betrachtet werden. Der Widerstand R4 läßt genügend Strom in Vout fließen, um ein Anlaufen der Schutzschaltung sicherzustellen. Dieser Strom wird durch das Laufen des Transistors TR3 und des Transistors TR4 bei relativ geringem Kollektorstrom, 0,2 mA, so gering wie möglich gehal­ ten, so daß der Widerstand R4 größtmöglich ist. Für die Si­ cherheitsbewertung wird angenommen, daß die Lastkurzströme Vout auf 0 V sind, so daß der Widerstand R4 über Vin auf 0 V erscheint und der Strom durch ihn durch den Transistor TR1 nicht geschaltet wird. Es wird angenommen, daß jedes mit einem gemeinsamen Bus verbundene Modul diesen Strom zieht und so wird dann der Gesamtstrom von der Zahl der Module abhängen. Dieser Gesamtstrom muß beträchtlich geringer als der Kurz­ schlußstrom sein, der durch die Widerstandskennlinien zugelas­ sen wird, falls er nicht den Funkenschutz des Systems gefähr­ den soll; 143 mA ist bei 26 V die Grenze.

Der Widerstand R4 kann jedoch nicht ausreichend Strom für das Anlaufen mit angeschlossener Last liefern, so daß die Last nach dem Hochfahren eingeschaltet werden muß. Fig. 7 zeigt einen Weg, dies auszuführen. Der Transistor TR5 tastet die Spannung über den Widerstand R1 ab und liefert ein Kollektor- Offen-Signal zu einer Sperrleitung an einen Stromrichter der folgt. Der Schwellwert ist so festgesetzt, daß sich der Tran­ sistor TR5 einschaltet, wenn ein geeigneter Basisstrom vom Transistor TR1 gezogen wird, so daß Gewißheit besteht, daß er hart eingeschaltet wird.

Fig. 8 zeigt, wie die Schaltung von Fig. 6 gedoppelt werden kann, um einen Ein-Fehler-sicheren Schutz zur Verwendung in härteren Umgebungen zu liefern. Zwei Schaltungen gemäß Fig. 6 sind im wesentlichen kaskadiert, aber es gibt einen einzigen Stromabtastwiderstand R5. Die Bauteile im "zweiten" Kreis, die denjenigen von Fig. 6 entsprechen, sind mit denselben Bezugs­ zeichen mit zugefügtem Strich bezeichnet. Jeder der beiden Dissipations- und Überstromkomparatoren tastet die Summe der Kollektor-Emitter-Spannungen der beiden Schalttransistoren TR1, TR1' und den IR-Abfall (Strom-Widerstand-Abfall) im Stromabtastwiderstand R5 ab. Von daher bewirkt eine Überdis­ sipation in einem der beiden Schalttransistoren oder ein Über­ strom, daß sowohl TR1, als auch TR1' ausgeschaltet werden. Die Schaltung ist daher bei einem beliebigen einzelnen zählbaren Fehler sicher.

Das Schutzsystem der vorliegenden Erfindung hat gegenüber be­ kannten Schutzformen eine Anzahl von Vorteilen.

• a) Im Vergleich zu kostspieligen Spannungsversorgungsbegren­ zern erfordert die vorliegende Erfindung lediglich den Zusatz kostengünstiger Bauteile zu den Modulen. Sie haben einen geringen Verlust an Leistung, sogar unter Fehler­ bedingungen, so daß keine große Nachfrage nach der Ver­ wendung von Kühlkörpern besteht.
• b) Die Spannungsversorgungen sind einfach. Mehrfachmodule können über ein Bussystem gespeist werden. Es ist kein Ausgangsstromschutz erforderlich, da die Schaltkreisan­ ordnung in den Modulen den Gesamtstrom begrenzt, der ge­ zogen werden kann.
• c) Das Schutzsystem schützt die gesamten Spannungssysteme oberhalb des Moduls gegen Serienunterbrechungen, sowohl von Fehlern und Herausziehen her, einschließlich der Span­ nungsversorgungsanschlüsse, so daß keine speziellen Maß­ nahmen benötigt werden, um den Versorgungsbus gegen Se­ rienunterbrechungen zu schützen.
• d) Die Spannung ist nicht auf Pegel begrenzt, die bezüglich des Nicht-In-Brand-Geratens gewählt werden.
• e) Es besteht kein Nachteil bei der Verwendung höherer Ver­ sorgungsspannungen. Tatsächlich nehmen der Wirkungsgrad und die verfügbare Leistung bei höheren Spannungen zu.
• f) Der einzige bei den Spannungsversorgungen benötigte Schutz besteht darin, die Ausgangsspannung zu begrenzen.

Die Erfindung läßt sich wie folgt zusammenfassen: Der Schutz von Schaltkreisen, die möglicherweise in Brand geraten können, wird durch ein Spannungsversorgungssystem erzielt, das eine Spannungsversorgung 10 umfaßt, die durch eine Spannungsvertei­ lungsleitungsanordnung mit einem oder mehreren Modulen verbun­ den ist, wobei das oder jedes Modul eine eigensichere Schal­ tung umfaßt, die eine Last 12, ein Abtastmittel D2 zum Detek­ tieren einer der Last zugeführten Spannung und einen schnell­ wirkenden Schalter TR1 enthält, der so angeordnet ist, daß er ansprechend auf die Feststellung einer Abnahme der zugeführten Spannung die Last 12 auf solche Weise abtrennt, daß verhindert wird, daß jegliche Serienunterbrechung stromaufwärts des Schalters TR1 in einen Zustand gelangt, daß sie in Brand gera­ ten kann.

Claims (13)

1. Verfahren zum Schutz von eigensicheren Schaltungen, bei denen eine Spannung über einen Versorgungskreis einer Last (12) zugeführt wird, umfassend das Abtasten der Spannung an der Last und in dem Fall, daß eine Abnahme der Spannung fest­ gestellt wird, Abtrennen der Last (12) auf solche Weise, daß verhindert wird, daß jede Serienunterbrechung im Versorgungs­ kreis in Brand geraten kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Anzahl von Lasten (12a, 12b, 12c) über einen gemeinsamen Versorgungsbus (30) aus einer oder meh­ reren Spannungsversorgungen (10a, 10b) gespeist wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Mittel (D2) zum Abtasten der Span­ nung und ein Mittel (TR1) zum Abtrennen der Last (2) in ein Modul aufgenommen werden, das die Last enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Mittel (TR1) zum Abtrennen der Last (12) gegen Überstrom geschützt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Mittel (TR1) zum Abtrennen der Last (12) gegen Überdissipation geschützt wird.

6. Vorrichtung zum Schutz einer eigensicheren Schaltung, die eine Last (12) umfaßt und die so angeordnet ist, daß sie über einen Versorgungskreis mit einer Spannung aus einem Spannungs­ versorgungsmittel (10) gespeist wird, wobei die Vorrichtung ein Abtastmittel (D2), das zum Feststellen der Spannung ange­ ordnet ist, und ein Schaltmittel (TR1) umfaßt, das so angeord­ net ist, daß es in Reaktion auf die Feststellung einer Abnahme der Spannung durch das Abtastmittel (D2) die Last (12) auf solche Weise abtrennt, daß verhindert wird, daß jegliche Se­ rienunterbrechung stromaufwärts des Schaltmittels in einen Zustand gelangt, in dem sie in Brand geraten kann.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abtastmittel und das Schaltmittel in ein Modul aufgenommen sind, das die Last umfaßt, wobei das Abtastmittel und das Schaltmittel auf der Versorgungsseite der Last liegen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Abtastmittel (D2) eine Ze­ nerdiode umfaßt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel einen Transistorschalter umfaßt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Mittel zum Schützen des Schaltmittels gegen Überstrom umfaßt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Mittel zum Schützen des Schaltmittels gegen Überdissipation umfaßt.

12. Versorgungssystem für eine eigensichere Schaltung, umfas­ send ein Spannungsversorgungsmittel (10), ein Spannungsvertei­ lungsmittel (30), das mit dem Spannungsversorgungsmittel ver­ bunden ist, und wenigstens ein Modul (12), das mit dem Span­ nungsverteilungsmittel verbunden ist, wobei das oder jedes Modul eine eigensichere Schaltung umfaßt, die eine Last (12), ein Abtastmittel (D2) zum Feststellen der an die Last angeleg­ ten Spannung und ein Schaltmittel (TR1) enthält, das so ange­ ordnet ist, daß es ansprechend auf die Feststellung einer Ab­ nahme der angelegten Spannung durch das Abtastmittel die Last (12) auf solche Weise abtrennt, daß verhindert wird, daß ir­ gendeine Serienunterbrechung stromaufwärts des Schaltmittels in einen Zustand gelangt, in dem sie in Brand geraten kann.

13. Spannungsversorgungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsversorgungs­ mittel (10a, 10b) eine oder mehrere Spannungsversorgungen um­ faßt und das Spannungsverteilungsmittel einen Versorgungsbus (30) umfaßt, der mit einer Anzahl von Modulen (12a, 12b, 12c) verbunden ist.