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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Speisung
mindestens einer Last in einem explosionsgefährdeten Bereich, beispielsweise
in Gegenwart von zündfähigen Gasen.
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In
Systemen, bei denen Spannungsversorgungen eine Anzahl von Funktionsmodulen
mit Spannung versorgen, besteht dort, wo zündfähige Gase vorhanden sein können, ein
Bedürfnis
sicherzustellen, 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 geraten kann, sogar wenn
die Module bei laufendem System abgesteckt bzw. abgezogen werden.
Ein Weg, dies zu erreichen, besteht darin, elektronische Leistungs-/Spannungsbegrenzer
im Ausgang jeder der Spannungsversorgungen vorzusehen. Diese Leistungsbegrenzer
legen die maximale Ausgangsspannung fest und begrenzen den Kurzschlussstrom.
Diese Leistungsbegrenzer sind jedoch recht kompliziert, da sie die
widersprechenden Anforderungen erfüllen sollen, genau zu sein,
jedoch schnell zu arbeiten. Diese Kompliziertheit muss vervielfältigt werden,
um die Anforderungen weiterer, genauerer Systeme zu erfüllen.
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Die
DE 44 03 961 A1 betrifft
ein eigensicheres Spannungsversorgungssystem für einen Feldbus in explosionsgefährdeten
Bereichen, das auf dem Prinzip der Spannungsbegrenzung beruht. Dabei
ist es vorgesehen, die Mittel zur Strom- und Spannungsbegrenzung
räumlich
zu trennen und über
einen nichteigensicheren Stromkreis zu verbinden.
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In
der
DE 36 22 268 C1 ist
eine Sicherheitsbarriere zur Anwendung für explosionsgefährdete Bereiche beschrieben,
die ebenfalls auf dem Prinzip der Strom- und Spannungsbegrenzung
basiert, die die Werte so begrenzt, dass keine Explosionsgefährdung eintritt.
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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
Leistungsbegrenzer verwendet wird.
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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 Spannungsversorgung zu den Modulen
gewünschtermaßen gegen
Fehler bei offenem Stromkreis oder offener Leitung und Kurzschluss
geschützt,
so dass keine Spezialkonstruktion benötigt wird.
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Bei
einer Anlage oder Anordnungen, bei denen die Leitung gut kontrolliert
ist, kann die Segregation zwischen Leitern in der Konstruktion der
Schaltungsanordnung gesteuert bzw. kontrolliert 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.
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Wenn
man lediglich das Interesse auf Serienbrüche bzw. -unterbrechungen richtet,
beseitigt dies die Einschränkung,
den elektronischen Schutz stromaufwärts der zu schützenden
Leitung bzw. Leitungsanordnung anzubringen. Er muss sich lediglich
irgendwo in Serie mit der eigensicheren Schaltung befinden. Die
Bedeutung von diesem, um Schutz gemäß der Erfindung zu erreichen,
geht aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.
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Gemäß der Erfindung
ist ein Verfahren zur eigensicheren Speisung mindestens einer Last
in einem explosionsgefährdeten
Bereich geschaffen worden, wobei die Last aus mindestens einer Spannungsversorgung über einen
Versorgungskreis gespeist wird und wobei ein Funke im Fall einer
Serienunterbrechung, einer Leitungsunterbrechung oder einer Trennung
von Spannungsversorgung und Last auftritt, wobei die Speisespannung
der Last abgetastet wird und, wenn ein Abfall der Speisespannung
festgestellt wird, die Last durch ein Schaltmittel abgetrennt wird,
bevor eine für
eine Zündung
ausreichende Energie erzeugt worden ist.
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Gemäß der Erfindung
ist auch eine Vorrichtung zur eigensicheren Speisung mindestens
einer Last in einem explosionsgefährdeten Bereich geschaffen
worden, wobei eine Spannungsversorgung zum Speisen der Last über einen
Versorgungskreis vorgesehen ist und wobei ein Funke im Fall einer
Serienunterbrechung auftritt. Es ist ein Spannungssensor vorgesehen,
der die Speisespannung der Last erfasst, und ein Schaltmittel vorgesehen,
das die Last abtrennt, wenn ein Abfall der Speisespannung unter
einen vorgegebenen Wert festgestellt wird. Auf diese Weise wird
verhindert, dass jeglicher Serienbruch bzw. -unterbrechung in der
Versorgungsschaltung in einen Zustand gelangt, in dem er in Brand
geraten kann.
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Weitere
Varianten und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zum
vollständigeren
Verständnis
der Erfindung wird nun eine Anzahl von Schutzsystemen gemäß der Erfindung
beispielhaft und mit Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Veranschaulichung des Konzepts, das der vorliegenden 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;
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2 ein
Schaltbild, das ein erstes Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung
zeigt;
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei dem ein Transistorschalter verwendet wird;
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4 ein
drittes Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung;
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5 ein
busversehenes Versorgungssystem gemäß der Erfindung;
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6 einen
einstufigen Detektions/Schaltkreis zur Verwendung bei einem System
gemäß der Erfindung;
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7 einen
Kreis, der zur Unterstützung
beim Hochfahren des Systems verwendet wird;
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8 eine
Darstellung, wie der Kreis von 7 bei einer
Kaskadenanordnung vervielfacht wird; und
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9 ein
bekanntes Beispiel der Verwendung eines aktiven Spannungs- und Strombegrenzers
zum Schutz gegen Leitungskurzschlüsse und -unterbrechungen.
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Die
in 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 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-Geraten
gehalten werden. Dies ist jedoch nicht strikt erforderlich. 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.
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1 veranschaulicht
das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende 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 Schalter 20 öffnet, bevor die Spannungs-/Strom-Kennlinie
die besagte Zündgrenze überschreitet.
Es sei festgestellt, dass die für
die Last 12 verfügbare
Spannung jetzt nicht darauf eingeschränkt ist, dass sie unterhalb
der Zünd-
bzw. Brandgrenze liegt.
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Es
sei auch festgestellt, dass die in 1 gezeigte
Schaltung lediglich das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende
Konzept veranschaulicht. Insbesondere ist lediglich die Leitung
zwischen den Eingängen des
Spannungssensors A1 geschützt.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung,
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. zündfähigsten
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 Vorrichtungen kann es möglich sein,
sich auf die Art der Last 12 zu verlassen, um den maximalen
Strom zu bestimmen.
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Die
in 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 funktionieren
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. 3 zeigt dies schematisch.
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In
der Schaltungsanordnung von 3, die einen
Transistorschalter 20 mit Basisschaltung zeigt, ist eine
Zenerdiode Z1 mit der Basis des Transistors verbunden. Die Spannung
der Zenerdiode Z1 ist so gewählt, dass,
wenn die Schaltung nicht unterbrochen ist, die Versorgungsspannung
am Emitter des Schalters 20 anliegt und der Basisstrom
durch die Zenerdiode Z1 gezogen wird. Der Transistorschalter 20 wird
hart oder erzwungenermaßen
eingeschaltet und der Strom wird der Last 12 zugeführt. 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 Emitterspannung unter die Zenerspannung, plus den Emitter-Basis-Abfall,
abfällt,
schaltet sich dann der Transistor 20 an einem vorbestimmten
Punkt aus und trennt die Last 12 ab.
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4 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das diese Prinzipien verkörpert. Zu Klarheitszwecken
und zur Verbesserung des Verständnisses
der Erfindung sind die Spannungsversorgung, die Leitungs-/Versorgungs-
bzw. Spannungsverteilung und das Modul, das sowohl die Last als
auch den Trennschalter 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 Transistors 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 Transistors
TR1 geschaltet sein. Der Widerstand R1 begrenzt den Basisstrom durch
den Transistor TR1 auf etwa 15 mA.
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Wenn
links von TR1, D2 und R1 ein Bruch bzw. eine Unterbrechung 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.
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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 Konstantstromkreis bis herunter zu etwa
12 Volt oder dergleichen zu einem Brand führen kann.
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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 Zenerdiodenspannung
auf diese Weise bestand darin, dass die Spannung über den
Funken vergrößert wurde,
bevor sich der Transistor TR1 abschaltet.
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Es
gab keine Zündungen,
bis die Funkenspannung etwa 12 V überschritt, was demonstrierte,
dass die Schaltung den erwarteten Schutz liefert.
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Der
Aufbau und die Anordnung der Leitung zwischen der Spannungsversorgung
und dem Modul ist so gesteuert und kontrolliert, dass Nebenschlussfehler
nicht auftreten können.
Serienfehler (Brüche,
Unterbrechungen) werden durch den mittels des Schalters gelieferten
Schutz nicht brandauslösend
gemacht.
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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.
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Die
Schaltungsanordnung rechts vom Transistor TR1 ist nicht geschützt und
wird so ausgelegt, dass sie bei Verwendung anderer Techniken nicht
brandfähig
ist.
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Diese
Schutzschaltung gemäß der Erfindung
ist sehr einfach, als solche schnell und kann leicht in Kaskadenschaltung
eingesetzt (kaskadiert) werden.
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5 zeigt
ein busversehenes Stromversorgungssystem, bei dem eine oder mehrere
Spannungsversorgungen 10a, 10b (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.
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Der
Schutz arbeitet ebenso gut bei Mehrfachmodulen wie bei einem einzigen
Modul. Die Wirkung einer Unterbrechnung an einer gemeinsamen Stelle,
die mehrere Module speist, ist äquivalent
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 verbleibenden
Spannungsversorgungen in der Lage sind, die Busspannung beizubehalten, wird
an der Unterbrechungsstelle 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.
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Die
oben beschriebenen Schaltungen tolerieren keine Bauteilfehler, 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 auferlegt. Diese umfassen:
- a)
Die Schaltungsanordnung rechts von TR1, D2 und R1 ist durch den
Schalter nicht geschützt
und so muss die Anordnung jegliche möglicherweise brandauslösenden Ströme auf irgendeine
andere Weise schützen. Eine
Möglichkeit
besteht in einer Volleinkapselung, aber sie ist ziemlich unelegant.
Alternativ könnten
die stromführenden
Leiterbahnen 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 herstellerseitigen 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.
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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.
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Bei
der folgenden Ziel-Spezifikation wird ein 24 V-System angenommen,
wobei jedes Modul bis zu 0,5 A zieht. 24 V ist bei vielen Systemen
eine zweckmäßige Versorgungsspannung
und erlaubt die Verwendung niedrigerer Ströme, was für einen gegebenen 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 |
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"Last" bedeutet die Modulschaltungsanordnung,
die von der Schutzschaltung gespeist wird.
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Die
Eingangsendspannung ist die minimale Spannung, bei der das Funktionieren
des Schutzes garantiert wird.
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Der
Transistor TR1 und die Zenerdiode D2 sind der Transistor und die
Zenerdiode, die in 4 gezeigt sind. Der Rest der
Schaltung schützt
im wesentlichen den Transistor TR1 gegen Überstrom und Überhitzung, das
heißt
Verluste.
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Die
Transistoren TR3 und TR4 wirken als Komparator, der die Summe der
Spannung Vce des Transistors TR1 und des Spannungsabfalls über einen
Stromabtastwiderstand R5 überwacht.
Durch den durch den Widerstand R2, den Transistor TR3 und den Widerstand
R3 gezogenen Strom wird eine im wesentlichen konstante Referenzspannung über den
Widerstand R2 erzeugt. Bei Normalbetrieb ist die Emitterspannung
des Transistors TR4 größer als
diejenige des Transistors TR3, so dass der Transistor TR4 eingeschaltet
wird und die Basisspannung des Transistors TR2 durch die Teilerwirkung
der Widerstände
R7 und R8 aus der Ausgangsspannung Vout festgesetzt wird.
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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 5 noch weitergehend, das heißt nahezu, konstant. Jeder
von dem Widerstand R1, dem Transistor TR2 und der Diode D2 können so
dimensioniert werden, dass sie einem Kurzschlussausfall entweder
im Transistor TR2 oder der Diode D2 widerstehen.
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Wenn
die über
den Transistor TR1 und den Stromgrenzabtastwiderstand R5 erzeugte
Gesamtspannung die Referenzspannung über den Widerstand R2 übersteigt,
schalten sich dann der Transistor TR4 und der Transistor TR2 aus,
wobei der Transistor TR1 ausgeschaltet wird, um diesen gegen Überstrom
oder Überhitzung (zu
hohen Leistungsverlust) zu schützen.
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Sobald
der Transistor TR4 ausgeschaltet ist, wird die Schaltung 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 eingeschaltet wird.
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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 Übergangsbedingungen
auftreten könnte.
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Die
Diode D3 schützt
die Basis-Emitter-Verbindung des Transistors TR4 gegen Rückwärtsregelung, wenn
Vout niedrig ist. Der Widerstand R6 beschränkt den aus Vin durch den Widerstand
R2 und die Diode D3 gezogenen Strom.
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C1
ist ein Miller-Kondensator zur Verlangsamung der Funktion der Transistoren
TR4 und TR3, um für Einschwing-
oder Übergangszustände eine
gewisse Immunität
bzw. Sicherheit zu bieten. Die durch den Widerstand R5 definierte
Stromgrenze dient nicht dazu, eine Funkenbildung zu verhindern.
Er ist hauptsächlich 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.
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Ein
Vorteil dieser Schaltung besteht darin, dass sie den Transistor
TR1 sowohl gegen Überstrom
als auch gegen Überhitzung
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.
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Das
Anlaufen 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 gehalten,
so dass der Widerstand R4 größtmöglich ist.
Für die
Sicherheitsbewertung 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 Kurzschlussstrom sein, der durch die Widerstandskennlinien
zugelassen wird, falls er nicht den Funkenschutz des Systems gefährden soll;
143 mA ist bei 26 V die Grenze.
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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. 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 Transistor TR5 einschaltet, wenn
ein geeigneter Basisstrom vom Transistor TR1 gezogen wird, so dass Gewissheit
besteht, dass er hart eingeschaltet wird.
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8 zeigt,
wie die Schaltung von 6 gedoppelt werden kann, um
einen Ein-Fehler-sicheren Schutz zur Verwendung in härteren Umgebungen
zu liefern. Zwei Schaltungen gemäß 6 sind
im wesentlichen kaskadiert, aber es gibt einen einzigen Stromabtastwiderstand
R5. Die Bauteile im "zweiten" Kreis, die denjenigen
von 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 Überhitzung
in einem der beiden Schalttransistoren oder ein Überstrom, dass sowohl TR1,
als auch TR1' ausgeschaltet
werden. Die Schaltung ist daher bei einem beliebigen einzelnen zählbaren
Fehler sicher.
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Das
Schutzsystem der vorliegenden Erfindung hat gegenüber bekannten
Schutzformen eine Anzahl von Vorteilen.
- i)
Im Vergleich zu kostspieligen Spannungsversorgungsbegrenzern erfordert
die vorliegende Erfindung lediglich den Zusatz kostengünstiger
Bauteile zu den Modulen. Sie haben einen geringen Verlust an Leistung, sogar
unter Fehlerbedingungen, so dass keine große Nachfrage nach der Verwendung
von Kühlkörpern besteht.
- ii) Die Spannungsversorgungen sind einfach. Mehrfachmodule können über ein
Bussystem gespeist werden. Es ist kein Ausgangsstromschutz erforderlich,
da die Schaltkreisanordnung in den Modulen den Gesamtstrom begrenzt,
der gezogen werden kann.
- iii) Das Schutzsystem schützt
die gesamten Spannungssysteme oberhalb des Moduls gegen Serienunterbrechungen,
sowohl von Fehlern und Herausziehen her, einschließlich der
Spannungsversorgungsanschlüsse,
so dass keine speziellen Maßnahmen
benötigt
werden, um den Versorgungsbus gegen Serienunterbrechungen zu schützen.
- iv) Die Spannung ist nicht auf Pegel begrenzt, die bezüglich des
Nicht-In-Brand-Geratens gewählt
werden.
- v) Es besteht kein Nachteil bei der Verwendung höherer Ver sorgungsspannungen.
Tatsächlich
nehmen der Wirkungsgrad und die verfügbare Leistung bei höheren Spannungen
zu.
- vi) Der einzige bei den Spannungsversorgungen benötigte Schutz
besteht darin, die Ausgangsspannung zu begrenzen.
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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 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.