DE102006003620A1

DE102006003620A1 - Leistungsbegrenzungseinrichtung

Info

Publication number: DE102006003620A1
Application number: DE200610003620
Authority: DE
Inventors: Arthur Bay
Original assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Current assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungsbegrenzungseinrichtung für ein insbesondere in einem explosionsgefährdeten Bereich betriebenes elektrisches Gerät (RL), mit einem Eingangsklemmenpaar (1, 2) zum Anlegen einer Versorgungsspannung (V), einer den Eingangsklemmen (1, 2) nachgeordneten Sicherung (F) zur Strombegrenzung, einer Zenerdiode (Z) zur Spannungsbegrenzung der Ausgangsspannung, die derartig geschaltet ist, dass bei einer die Zenerspannung überschreitenden Ausgangsspannung über eine Kurzschlussstrecke ein die Sicherung auslösender Kurzschlussstrom fließt und einen in Reihe mit der vom Gerät gebildeten Last (RL) geschalteten ersten Widerstand (R0) zur Leistungsbegrenzung. Es wird ein in die Kurzschlussstrecke geschalteter Thyristor (T) vorgeschlagen, dessen Gate mit einem Knoten einer von der Zenerdiode (Z) und einem zweiten Widerstand (R1) gebildeten, parallel zur Last (RL) geschalteten Brücke derart verbunden ist, dass der Thyristor (T) zündet, wenn entweder am ersten Widerstand (R0) eine dem maximal zulässigen Strom entsprechende Spannung abfällt oder die an der Zenerdiode (Z) abfallende Spannung die Zenerspannung überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungsbegrenzungseinrichtung für ein insbesondere in einem explosionsgefährdeten Bereich betriebenes elektrisches Gerät, mit einem Eingangsklemmenpaar zum Anlegen einer Versorgungsspannung, einer den Eingangsklemmen nachgeordneten Sicherung zur Strombegrenzung, einer Zenerdiode zur Spannungsbegrenzung der Ausgangsspannung, die derartig geschaltet ist, dass bei einer die Zenerspannung überschreitenden Ausgangsspannung über eine Kurzschlussstrecke ein die Sicherung auslösender Kurzschlussstrom fließt, und einen in Reihe mit der vom Gerät gebildeten Last geschalteten ersten Widerstand zur Leistungsbegrenzung.
Im Stand der Technik ist es bekannt, eine Leistungsbegrenzung für ein in einem explosionsgefährdeten Bereich betriebenes Gerät mittelst einer oder mehrerer parallel geschalteten Zenerdioden auszubilden. Die Zenerdioden sind dabei in Sperrrichtung zwischen die Ausgangsklemmen der Leistungsbegrenzungseinrichtung geschaltet. Zwischen den Eingangsklemmen und den Ausgangsklemmen sind darüber hinaus eine Sicherung und ein Widerstand geschaltet. Am Widerstand fällt eine Spannung ab, die proportional zu dem durch die Last fließenden Strom ist, so dass hierdurch die durch die Ausgangsklemmen abgegebene Leistung begrenzt wird. Die Ausgangsspannung sinkt im Wesentlichen proportional zum durch das Gerät fließenden Strom. Liegt an der Zenerdiode eine die Zenerspannung überschreitende Spannung an, so fließt durch die Zenerdiode ein Zenerstrom, der bei genügender Höhe die Sicherung auslöst. Hierdurch ist eine Spannungsbegrenzung gegeben. Die Strombegrenzung wird durch die Sicherung selbst bewirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Leistungsbegrenzungseinrichtung weiterzubilden.

Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale, wobei jeder Anspruch grundsätzlich eine eigenständige Lösung der Aufgabe ausbildet und mit jedem anderen Anspruch in beliebiger Weise kombinierbar ist.

Es ist zunächst und im Wesentlichen vorgesehen, dass ein Thyristor in die Kurzschlussstrecke geschaltet ist. Bevorzugt bildet der Thyristor die Kurzschlussstrecke selbst aus. Aus Redundanzgründen und zur Erhöhung der Sicherheit können mehrere Thyristoren parallel zueinander geschaltet sein. Im normalen Betriebszustand liegt das Gate des Thyristors auf einem Potential, so dass der in Flussrichtung zwischen den Eingangsklemmen geschaltete Thyristor gesperrt ist. Der Thyristor soll zünden, wenn entweder der maximal zulässige Strom durch den ersten Widerstand fließt oder die Ausgangsspannung den Wert der Zenerspannung überschreitet. Die Zenerdiode liefert dann die erforderliche Zündspannung für den Thyristor, so dass dieser leitend wird und einen Kurzschluss auslöst, der zum Auslösen der Sicherung führt. Es ist vorgesehen, dass das Gate des Thyristors an dem Knoten einer Brücke angreift, welche von einem zweiten Widerstand und der Zenerdiode gebildet ist, wobei die Zenerdiode mit ihrer Anode am Gate liegt und mit ihrer Kathode mit der Anode des Thyristors verbunden ist. Das Gate des Thyristors ist des Weiteren mit dem zweiten Widerstand mit der Ausgangsklemme verbunden. Da im Normalfall durch die Zenerdiode kein Strom fließt, liegt das Potential des Gates auf einem Wert, der der Spannung entspricht, die am ersten Widerstand, der der Strombegrenzung dient, abfällt. Gemäß dem Ohm'schen Gesetz ist diese Spannung der durch die Last, die von dem Gerät gebildet ist, proportional. Übersteigt dieser Strom einen zulässigen Strom, so erreicht die am ersten Widerstand abfallende Spannung die Zündspannung des Thyristors. Der Thyristor wird nach seiner Zündung leitend und bewirkt den Kurzschluss zur Auslösung der Sicherung.

Bei fehlender Last bilden erster Widerstand und zweiter Widerstand eine Reihenschaltung. Wegen der in Sperrrichtung hochohmigen Zenerdiode liegt an ihr im Wesentlichen die Versorgungsspannung an. Überschreitet diese die Zenerspannung, so fließt durch den zweiten Widerstand der Zenerstrom. Damit einhergehend fällt am zweiten Widerstand eine Spannung ab. Überschreitet die Summe dieser und der am ersten Widerstand abfallenden Spannung die Zündspannung des Thyristors, so zündet er und löst die Sicherung aus. Zu der Schaltung können ferner mindestens eine Polschutzdiode und Kondensatoren gehören, die jeweils das Gate und die Kathode eines der Thyristoren miteinander verbinden sowie ein die Ausgangsklemmen miteinander verbindender Kondensator. Die Kondensatoren haben im Wesentlichen eine dämpfende Wirkung. Sie wirken als Tiefpassfilter. Wegen des die Kurzschlussstrecke bildenden Thyristors ist die Auslösesicherheit gegenüber dem Stand der Technik verbessert.

Ausführungsbeispiele werden anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine erste, im Wesentlichen schematische Schaltung einer Leistungsbegrenzungseinrichtung und
2 eine weitere Schaltung einer Leistungsbegrenzungseinrichtung.
Die in der 1 dargestellte Schaltung besitzt ein Eingangsklemmenpaar 1, 2, an welchem eine Gleichspannung anliegt, die von einer Spannungsversorgung Q bereitgestellt wird. Diese kann im Ausführungsbeispiel eine Nennspannung von 14 Volt liefern. An der Eingangsklemme fliegt eine Sicherung F an, die bei einem Strom zwischen 50 und 100 mA auslöst. In Stromrichtung der Sicherung F nachgeordnet befindet sich eine Polschutzdiode D, die in Sperrrichtung zwischen die Eingangsklemmen 1, 2 geschaltet ist. Parallel zur Polschutzdiode D ist ein Thyristor T in Stromrichtung geschaltet. Der Thyristor T bildet eine Kurz schlussstrecke aus. Das Gate des Thyristors T ist über einen Dämpfungskondensator C₁ mit der Kathode des Thyristors T verbunden. Das Gate des Thyristors T ist darüber hinaus mit der Anode einer Zenerdiode Z verbunden, dessen Kathode mit der Anode des Thyristors T verbunden ist. Die Zenerspannung der Zenerdiode Z ist größer als die Nennspannung. Liegt die Nennspannung bei 14 Volt, so beträgt die Zenerspannung bevorzugt 15 Volt. Ein erster Widerstand R₀ befindet sich zwischen der Eingangsklemme 2 und der Ausgangsklemme 4 derart, dass durch ihn in etwa derselbe Strom fließt, der auch durch eine Last R_L fließt, die an den beiden Ausgangsklemmen 3, 4 anliegt.
Ein erster Widerstand R₁ bildet zusammen mit der Zenerdiode Z eine Brückenschaltung. Die Brücke liegt zwischen den beiden Ausgangsklemmen 3, 4. Der Knoten der Brücke ist mit dem Gate des Thyristors T verbunden.
Liegt die Versorgungsspannung V unterhalb der Zenerspannung, so ist die Zenerdiode Z hochohmig. Am Gate des Thyristors liegt dann im Wesentlichen nur die Spannung an, die am ersten Widerstand R₀ zufolge des durch ihn fließenden Stromes abfällt. Überschreitet der durch den Widerstand R₀ fließende Betriebsstrom der Last R_L einen vorgegebenen Wert, bei dem die am ersten Widerstand R₀ abfallende Spannung die Zündspannung von etwa 0,8 Volt des Thyristors T überschreitet, so zündet der Thyristor T und wird leitend. Der dann durch den Thyristor T fließende Kurzschlussstrom löst die Sicherung F aus. Da dann die gesamte Schaltung stromlos wird, wird der Thyristor T gelöscht.
Überschreitet die an den Ausgangsklemmen 3, 4 anliegende Spannung die Zenerspannung, so fließt durch die Zenerdiode Z ein Strom mit der Folge, dass am zweiten Widerstand R₁ eine Spannung abfällt. Diese addiert sich zu der Spannung, die am ersten Widerstand R₀ abfällt. Überschreitet die Summe dieser beiden Spannungen die Zündspannung des Thyristors T, so wird er leitend mit der Folge, dass die Sicherung zufolge des Kurzschlusses auslöst.
Die in der 2 dargestellte zweite Schaltung entspricht hinsichtlich ihrer Funktionsweise im Wesentlichen der ersten Schaltung. Anstelle lediglich einer Thyristor-Zenerdiode-Brückenschaltung sind dort aber drei derartige Schaltungen vorgesehen, die alle parallel zueinander geschaltet sind. Die Einheiten bestehen einerseits aus dem Thyristor T₁, der Zenerdiode Z₁ und dem Widerstand R₁ sowie dem Kondensator C₁ und andererseits aus dem Thyristor T₂, der zugehörigen Zenerdiode Z₂, dem Widerstand R₂ und dem Kondensator C₂ und schließlich dem Thyristor T₃, der Zenerdiode Z₃ und dem Widerstand R₃. Alle drei Widerstände R₁, R₂, R₃ sind mit der Ausgangsklemme 4 verbunden, an der auch der erste Widerstand R₀ anliegt, der mit seinem anderen Pol an der Eingangsklemme 2 liegt.
An den Ausgangsklemmen 3, 4 liegt nicht nur der einen Tiefpassfilter bildende Kondensator C₄ an, sondern auch ein Dämpfungsspulenpaar L₂, die gleichsinnig gewickelt sind und jeweils mit einem Pol der Last R_L verbunden sind.
Die Thyristoren T₁, T₂, T₃ haben im Wesentlichen identische Eigenschaften und insbesondere eine identische Zündspannung von etwa 0,8 Volt. Auch die Zenerdioden Z₁, Z₂, Z₃ besitzen im Wesentlichen dieselben Eigenschaften und insbesondere dieselbe Zenerspannung. Selbiges gilt für die Widerstände R₁, R₂, R₃, die die gleichen Werte von beispielsweise einem Kilo Ohm aufweisen. Der Widerstand R₀ ist erheblich geringer. Es reichen hier etwa 10 Ohm aus.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollin haltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims

Leistungsbegrenzungseinrichtung für ein insbesondere in einem explosionsgefährdeten Bereich betriebenes elektrisches Gerät (R_L), mit einem Eingangsklemmenpaar (1, 2) zum Anlegen einer Versorgungsspannung (V), einer den Eingangsklemmen (1, 2) nachgeordneten Sicherung (F) zur Strombegrenzung, einer Zenerdiode (Z) zur Spannungsbegrenzung der Ausgangsspannung, die derartig geschaltet ist, dass bei einer die Zenerspannung überschreitenden Ausgangsspannung über eine Kurzschlussstrecke ein die Sicherung auslösender Kurzschlussstrom fließt und einen in Reihe mit der vom Gerät gebildeten Last (R_L) geschalteten ersten Widerstand (R₀) zur Leistungsbegrenzung, gekennzeichnet durch einen in die Kurzschlussstrecke geschalteten Thyristor (T), dessen Gate mit einem Knoten einer von der Zenerdiode (Z) und einem zweiten Widerstand (R₁) gebildeten, parallel zur Last (R_L) geschalteten Brücke derart verbunden ist, dass der Thyristor (T) zündet, wenn entweder am ersten Widerstand (R₀) eine dem maximal zulässigen Strom entsprechende Spannung abfällt oder die an der Zenerdiode (Z) abfallende Spannung die Zenerspannung überschreitet.
Leistungsbegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode der Zenerdiode (Z) mit dem Gate des Thyristors (T) und die Kathode der Zenerdiode (Z) mit der Anode des Thyristors (T) verbunden ist.
Leistungsbegrenzungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode des Thyristors (T) mit einer der Eingangsklemmen (2) und die Anode des Thyristors (T) über die Sicherung (F) mit der anderen Eingangsklemme (1) verbunden ist.
Leistungsbegrenzungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Widerstand (R₁) einerseits mit dem ersten Widerstand (R₀) und der Last (R_L) und andererseits mit dem Gate des Thyristors (T) bzw. der Anode der Zenerdiode (Z) verbunden ist.
Leistungsbegrenzungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine parallel zum Thyristor (T) gegenpolig geschaltete Polschutzdiode (D).
Leistungsbegrenzungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch einen das Gate des Thyristors (T) mit dessen Kathode verbindenden Kondensator (C₁).
Leistungsbegrenzungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch einen die beiden Ausgangsklemmen (3, 4) miteinander verbindenden Kondensator (C₄).
Leistungsbegrenzungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr, bevorzugt drei Thyristor-Zenerdioden-Brückenschalteinheiten (T₁, Z₁, R₁; T₂, Z₂, R₂; T₃, Z₃, R₃) parallel zueinander in die Kurzschlussstrecke geschaltet sind.
Leistungsbegrenzungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch zwei parallel zueinander geschaltete Polschutzdioden (D₁, D₂).
Leistungsbegrenzungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass jede der zwei, bevorzugt Thyristor-Zenerdioden-Brückeneinheiten (T₁, Z₁, R₁; T₂, Z₂, R₂; T₃, Z₃, R₃) Kondensatoren (C₁, C₂, C₃) aufweisen, die jeweils das Gate des jeweiligen Thyristors (T₁, T₂, T₃) mit der jeweiligen Kathode verbinden.
Leistungsbegrenzungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine Spannungsversorgung (Q) zur Erzeugung der Versorgungsspannung (V), die eine Gleichrichterschaltung aufweist.