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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Strombegrenzungsschaltung, die einen
elektrischen Strom von einer Spannungsquelle zu einem Verbraucher
auf einen vorbestimmten Maximalstrom begrenzt, umfassend
- – wenigstens
einen in eine Stromleitung zwischen einem Schaltungseingang und
einem Schaltungsausgang geschalten Messwiderstand, und
- – wenigstens
zwei mit dem wenigstens einen Messwiderstand in Reihe geschaltete
Stromstellelemente, denen jeweils eine spannungsabhängige Steuereinheit
zugeordnet ist,
wobei jede Steuereinheit mit einem ihr
zugeordneten, einen Spannungsabfall über einem Messwiderstand abgreifenden
Spannungsabgriff verbunden ist.
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Derartige
Strombegrenzungsschaltungen sind insbesondere aus dem Bereich der
Stromversorgung für
Verbraucher in explosionsgefährdeter Umgebung
bekannt. Sie erfüllen
ein wichtiges Kriterium des Explosionsschutzes. Zweck einer Strombegrenzungsschaltung
ist es, im Falle eines Kurzschlusses oder einer anderen Fehlfunktion
des Verbrauchers die Zuführung
eines elektrischen Stroms oberhalb eines zugelassenen Maximalstroms
in die explosionsgefährdete
Umgebung zu verhindern. Hierdurch wird eine übermäßige Aufheizung einzelner Bauteile
und/oder die Funkenbildung in der gefährdeten Umgebung verhindert.
Aufgrund der Bedeutung eines effizienten Explosionsschutzes werden
typischerweise zwei hintereinander geschaltete, unabhängige Strombegrenzungsschaltungen
verwendet.
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2 zeigt
schematisch eine typische Strombegrenzungsschaltung 20 für die Stromversorgung
von Verbrauchern in explosionsgefährdeter Umgebung. Der dem Verbraucher
zuzuführende Strom
wird dabei von einer nicht dargestellten Spannungsquelle am Schaltungseingang 22 eingeleitet und über die
Stromleitung 24 zum Schaltungsausgang 26, der
mit dem ebenfalls nicht dargestellten Verbraucher verbunden ist,
geleitet. Dabei passiert der Strom zwei unabhängige Strombegrenzungsteilschaltungen 200 und 200'. Innerhalb
der die Strombegrenzungsteilschaltungen 200 und 200' symbolisierenden
Kästen
ist in 2 die Stromleitung 24 gestrichelt dargestellt,
um die Strombegrenzungsfunktion, die grundsätzlich auf beliebige, dem Fachmann bekannte
oder noch unbekannte Weise durchgeführt werden kann, zu symbolisieren.
Jeder Strombegrenzungsteilschaltung 200, 200' ist ein Messwiderstand 210, 210' zugeordnet,
durch die der Strom durch die Stromleitung 24 ebenfalls
läuft.
Hierdurch ergibt sich an jedem der Messwiderstände 210, 210' ein Spannungsabfall,
der jeweils von einem Spannungsabgriff 212/214, 212'/214' abgegriffen
und an einen Spannungseingang der Strombegrenzungsteilschaltungen 200, 200' angelegt wird.
Die Strombegrenzungsteilschaltungen 200, 200' arbeiten jeweils
in Abhängigkeit
von dem gemessenen Spannungsabfall über dem ihnen jeweils zugeordneten
Messwiderstand 210, 210'.
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Überschreitet
der Strom durch die Stromleitung 24 einen vorgegebenen,
kritischen Wert, überschreitet
auch der Spannungsabfall über
jedem der Messwiderstände 210, 210' unabhängig einen
entsprechenden kritischen Spannungswert, der die Funktion der jeweils
zugeordneten Strombegrenzungsteilschaltung 200, 200' aktiviert.
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Aus
konstruktiven Gründen,
die insbesondere mit der bauartlich bedingten Mindest-Referenzspannung
sogenannter Shunt-Regler, die oft in typischen Strombegrenzungsschaltungen
eingesetzt werden, zusammenhängen,
liegen typischerweise verwendete Widerstandswerte der Messwiderstände nicht
unter 10 Ohm. Dies bedeutet, dass bei typischen Stromstärken von
ca. 100 Milliampere allein durch die Sicherheitsvorkehrung der Strombegrenzungsschaltung
ein Spannungsabfall von ca. 2 Volt erzeugt wird. Dies ist im Hinblick
auf den in der Elektronik allgemein verbreiteten Wunsch nach möglichst weitgehender
Reduzierung aller auftretenden Spannungen ein vergleichsweise großer Wert.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gattungsgemäße Strombegrenzungsschaltungen
derart weiterzubilden, dass ohne Sicherheitseinbußen Spannungsquellen
mit geringerer Ausgangsspannung verwendet werden können.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von
Anspruch 1 dadurch gelöst,
dass mehrere Spannungsabgriffe, die verschiedenen Steuereinheiten
zugeordnet sind, den Spannungsabfall über demselben Messwiderstand abgreifen.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die im Explosionsschutz
geforderte Sicherheitsredundanz allein in der Unabhängigkeit
der Strombegrenzungsteilschaltungen und in der Erfassung des kritischen
Stromwertes liegen. An welcher Stelle der Schaltung der kritische
Strom erfasst wird, ist hingegen unter Sicherheitsaspekten irrelevant.
Die Erfindung sieht daher vor, einen von dem Stromfluss an einer
Stelle der Schaltung erzeugten Effekt, nämlich den Spannungsabfall über einem
Messwiderstand, zweifach und mit unabhängigen Mitteln zu messen und
in unabhängigen
Strombegrenzungsteilschaltungen auszuwerten. Tritt nämlich in
irgendeinem der unabhängigen
Spannungsabgriffe oder der unabhängigen
Strombegrenzungsteilschaltungen ein Defekt, z. B. durch Leitungsbruch,
auf, erfüllen
die unversehrte Schaltung und der unversehrte Spannungsabgriff nach
wie vor die geforderte Aufgabe. Tritt jedoch der Defekt in dem gemeinsam
genutzten Teil, d. h. im Bereich der Stromleitung zwischen den Spannungsabgriffen
oder im Messwiderstand selbst auf, so ist damit der Strom gänzlich unterbrochen
und ein Überstrom
im explosionsgefährdeten
Raum ebenfalls ausgeschlossen.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung
liegt in der deutlichen Reduzierung, insbesondere der Halbierung
des Spannungsabfalls, der allein aus Sicherheitsgründen in
die Leitung zwischen Quelle und Verbraucher eingebracht ist, im
Vergleich zu redundanten Schaltungen nach dem Stand der Technik.
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Vorzugsweise
ist darauf zu achten, dass als Messwiderstand ein Widerstandstyp
gewählt
wird, der bei Defekt zuverlässig
hochohmig wird. Hierzu bieten sich insbesondere drahtgewickelte
oder Metallfilm-Widerstände
an. Kohle- oder Metallschichtwiderstände sind vorzugsweise zu vermeiden.
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Günstigerweise
ist wenigstens eine der Strombegrenzungsteilschaltungen so ausgebildet, dass
wenigstens ein Stromstellelement als ein mit seiner Kollektor-Basis-Strecke
in Reihe zu dem Messwiderstand in die Stromleitung eingekoppelter Transistor
ausgebildet ist. Dabei kann die Basis des Transistors günstigerweise über einen
Vorwiderstand mit der Stromleitung verbunden sein und die zugeordnete
Steuereinheit kann als ein Shunt-Regler ausgebildet sein, dessen
Kathode mit der Basis des Transistors und dessen Anode und Referenzeingang mit
dem Spannungsabgriff über
dem Messwiderstand verbunden sind. Derartige Strombegrenzungsteilschaltungen
sind einzeln oder in Reihe hintereinander geschaltet grundsätzlich bekannt.
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Besonders
bevorzugt ist vorgesehen, dass parallel zu dem Transistor ein zusätzlicher,
vorzugsweise hochohmiger Strompfad vorgesehen ist, der ein in Sperrrichtung
geschaltetes Bauteil mit Diodencharakteristik und einen in den Spannungsabgriff
integrierten Zusatzmesswiderstand umfasst. Dabei ist dem Bauteil
mit Diodenkennlinie, das günstigerweise als
Z-Diode oder als weiterer Shunt-Regler mit insbesondere zu seiner
Kathode rückgekoppeltem
Referenzeingang ausgebildet ist, bevorzugt ein Zusatz-Vorwiderstand vorgeschaltet.
Die Grundidee einer solchen Erweiterung bekannter Strombegrenzungsteilschaltungen
ist es, die Leistungsaufnahme des Transistors im Schadensfall zu
begrenzen. Typischerweise werden nämlich Verbraucher in explosionsgefährdeter
Umgebung lediglich mit Strömen betrieben,
die bei ca. 2/3 des zulässigen
Maximalstroms liegen. Tritt im Verbraucher etwa ein Kurzschluss
auf, haben die Transistoren der Strombegrenzungsteilschaltungen
bekannter Bauart jeweils den Maximalstrom zu leiten, was zu einer
hohen Leistungsaufnahme und einer entsprechenden evtl. schadenverursachenden
Erwärmung
führt.
Bislang behalf man sich mit einer übergroßen Dimensionierung der Transistoren,
was jedoch im Hinblick auf die Bauteilkosten, den Platinenraum und
die Platinenbestückbarkeit nachteilig
ist. Bei der oben beschriebenen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung
ist jedoch ein zusätzlicher,
den Transistor umgehender Strompfad vorgesehen, der erst aktiviert
wird, wenn die Spannung über
dem Bauteil mit Diodenkennlinie, das parallel zu dem zu entlastenden
Transistor geschaltet ist, einen kritischen Wert erreicht, was vorzugsweise dann
der Fall ist, wenn der Stromfluss durch den Transistor im Bereich
des zulässigen
Maximalstroms liegt. Dann schaltet das Bauteil mit Diodenkennlinie durch
und es fließt
ein Strom durch den Zusatz-Messwiderstand, der in den Spannungsabgriff über dem
eigentlichen Messwiderstand integriert ist. Aus "Sicht" der zugeordneten Strombegrenzungsteilschaltung
addiert sich der Spannungsabfall über dem Zusatz-Messwiderstand
zu dem Spannungsabfall über
dem eigentlichen Messwiderstand, sodass die Strombegrenzungsteilschaltung
ihren Transistor auf einen unter dem Maximalstrom liegenden, reduzierten
Strom ansteuern wird. Fällt,
etwa nach Behebung eines Defektes im Verbraucher, der Strom durch
die Stromleitung wieder in Bereiche des Normalbetriebs, sperrt das
Bauteil mit Diodenkennlinie den zusätzlichen Strompfad wieder,
sodass der Zusatz-Messwiderstand für die Strombegrenzungsschaltung
wieder "unsichtbar" wird und die dem
Verbraucher zugeführte Stromstärke wieder
zwischen Null und dem zulässigen
Maximalstrom schwanken kann. Diese Weiterbildung der Erfindung hat
insbesondere gegenüber den
bekannten Transistor-Schutzmaßnahmen
durch Thermofühler
den Vorteil einer sehr kurzen Reaktionszeit und einer einfachen
Reversibilität
nach Behebung des Defektes.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden,
speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es
zeigen.
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1:
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Strombegrenzungsschaltung.
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2:
eine schematische Darstellung einer bekannten Strombegrenzungsschaltung.
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3:
eine detailliertere Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Strombegrenzungsschaltung.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Strombegrenzungsschaltung 10.
Zweck der Schaltung ist es, einen Stromfluss zwischen einem an eine
Stromquelle anschließbaren
Schaltungseingang 12 über
eine Stromleitung 14 zu einem an einen Verbraucher anschließbaren Schaltungsausgang 16 auf
einen z. B. aus Explosionsschutzgründen vorgegebenen Maximalstrom
zu begrenzen. Während
des Normalbetriebs des Verbrauchers kann der Strom innerhalb der
zugelassenen Grenzen je nach Anforderung des Verbrauchers schwanken.
Er passiert dabei zwei Strombegrenzungsteilschaltungen 100 und 100', die in Reihe
hintereinander in die Stromleitung 14 integriert sind.
Innerhalb der Kästen,
die in 1 die Strombegrenzungsteilschaltungen 100, 100' repräsentieren,
ist die Stromleitung 14 gestrichelt dargestellt, um den Effekt
der Strombegrenzung, der grundsätzlich
auf jede dem Fachmann bekannte oder noch zu entwickelnde Weise erzielt
werden kann, zu symbolisieren. Jeder der Strombegrenzungsteilschaltungen 100, 100' ist ein Spannungsabgriff über den
gemeinsamen Messwiderstand 110 zugeordnet, nämlich der aus
den Abgriffszweigen 112 und 114 bestehende Spannungsabgriff
der Strombegrenzungsteilschaltung 100 und der aus den Zweigen 112' und 114' bestehende
Spannungsabgriff der Strombegrenzungsschaltung 100'. Wie dem Fachmann
durch einfache physikalische Überlegungen
klar ist, messen beide Spannungsabgriffe 112/114, 112/114' im Wesentlichen
denselben Spannungsabfall über
dem Messwiderstand 110 und leiten somit jeder der Strombegrenzungsteilschaltungen 100, 100' im Wesentlichen denselben
Eingangswert zu. Bei im Wesentlichen identischem Aufbau der Strombegrenzungsteilschaltungen 100, 100' führt dies
zu dem identischen Effekt auf die Stromleitung 14, sodass
die im Explosionsschutz aufgestellte Forderung nach einer redundanten
Strombegrenzung vollständig
erfüllt
ist. Ein Defekt im gemeinsamen Teil der Sicherheitskreise, d. h. bei
der dargestellten Ausführungsform
im Bereich der Stromleitung 14 zwischen dem Abgriffszweig 112 und
dem Abgriffszweig 114',
ist unter Sicherheitsaspekten irrelevant, da ein solcher Defekt
zu einer vollständigen
Unterbrechung des Stromflusses führen würde. Lediglich
bei der Wahl des Messwiderstandes 110 ist darauf zu achten,
dass dieser bei Defekt hochohmig wird.
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Wie
erwähnt,
hat eine solche Schaltung den Vorteil der Reduktion, insbesondere
Halbierung des allein aus Sicherheitsgründen zusätzlich eingebrachten Spannungsabfalls
im Vergleich zu Schaltungen nach dem Stand der Technik, wie beispielhaft
in 2, die vorne bereits erläutert wurde, dargestellt.
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3 zeigt
eine besonders bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der im Kurzschlussfall die Leistungsaufnahme
der kritischen Teile der Strombegrenzungsteilschaltungen 100, 100' gegenüber bekannten
Teilschaltungen deutlich reduziert ist.
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Aufgrund
des im Wesentlichen identischen Aufbaus der Strombegrenzungsteilschaltung 100, 100' soll deren
Prinzip und Wirkungsweise nachfolgend lediglich anhand der Teilschaltung 100 erläutert werden.
Die Übertragung
auf die Teilschaltung 100', deren
Bauteile jeweils gleiche Bezugszeichen wie die der Teilschaltung 100,
jedoch mit "'" markiert aufweisen, ist für den Fachmann
problemlos möglich.
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Bei
Normalbetrieb fließt
ein Strom vom Schaltungseingang 12 über die Stromleitung 14 zum Schaltungsausgang 16 und
passiert dabei die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 106 sowie
den in Reihe hierzu geschalteten Messwiderstand 110. Die Basis
des Transistors 106 ist über einen Vorwiderstand 108 mit
der Stromleitung 14 verbunden, sodass der zur im Normalbetrieb
korrekten Ansteuerung des Transistor benötigte Basisstrom geliefert
wird. Der Spannungsabfall aufgrund des Stromflusses durch den Messwiderstand 110 wird über einen
Spannungsabgriff, der aus den Abgriffszweigen 112 und 114 gebildet
wird, abgegriffen und an den Referenzeingang sowie die Anode eines
Shunt-Reglers 116 angelegt. Shunt-Regler werden vielfach auch als regelbare
Dioden angesprochen und sind beispielsweise unter der Bezeichnung
TLV 431 von der Firma Semiconductor Components Industries,
LLC erhältlich. Vergleichbare
Bauteile sind unter anderen Bezeichnungen auch von anderen Unternehmen
erhältlich. Die
Kathode des Shunt-Reglers 116 ist
mit der Basis des Transistors 106 verbunden. Steigt der
Strom durch den Messwiderstand 110 über ein zulässiges Maß an, steigt auch der über dem
Messwiderstand 110 abgegriffene Spannungsabfall über einen
Grenzwert an, sodass die Kathode des Shunt-Reglers 116 die
Basis des Transistors 106 mit einem Basisstrom beaufschlagt,
sodass der Transistor veranlasst wird, den über die Kollektor-Emitter-Strecke geleiteten Strom
auf den zulässigen
Maximalstrom zu reduzieren. Derartige Strombegrenzungsschaltungen
sind grundsätzlich
bekannt.
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Bei
den in 3 dargestellten Ausführungsformen ist jedoch ein
zusätzlicher,
den Transistor 106 umgehender Strompfad vorgesehen, der
einen zusätzlichen
Shunt-Regler 118, einen Zusatz-Vorwiderstand 120a und
einen Zusatz-Messwiderstand 120b umfasst. Letzterer ist
in den Spannungsabgriffszweig 112 integriert. Bei Normalbetrieb
sperrt der zusätzliche
Shunt-Regler 118.
In diesem Zustand ist der Zusatz-Messwiderstand für den Referenzeingang
des ersten Shunt-Reglers 116 "unsichtbar", da der durch ihn hindurchfließende Strom aufgrund
der Hochohmigkeit des Referenzeingangs des Shunt-Reglers 116 vernachlässigbar
ist. Im Kurzschlussfall (oder allgemeiner, wenn der vom Verbraucher
angeforderte Strom größer ist
als der eingestellte Maximalstrom der Strombegrenzung) wird, wenn
der Spannungsabfall über
dem Transistor 106 ansteigt, die Referenzspannung des zusätzlichen
Shunt-Reglers 118 überschritten,
sodass der zusätzliche
Strompfad leitend wird und insbesondere ein Strom durch den Zusatz-Messwiderstand 112 fließt. Dieser
führt aus "Sicht" des Referenzeingangs
des ersten Shunt-Reglers 116 zu einer Erhöhung des
abgegriffenen Gesamtwiderstandes, sodass seine Kathode die Basis des
Transistors 106 so ansteuert, dass der Strom über die
Kollektor-Emitterstrecke unter den Maximalstrom reduziert wird.
Erst nach Behebung des Kurzschlusses fällt der Spannungsabfall über dem
Transistor 106 so weit, dass der zusätzliche Shunt-Regler wieder
sperrt und die Schaltung in den Normalzustand übergehen kann.
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Auf
diese Weise wird sichergestellt, dass der vom Verbraucher angeforderte
Strom den gesamten zugelassenen Bereich ausnutzen kann; im Kurzschlussfall
wird jedoch vermieden, dass der Transistor 106 dauerhaft
mit dem Maximalstrom belastet wird, was eine kleinere Auslegung
des Transistors 106 erlaubt.
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Natürlich stellen
die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren
gezeigten Ausführungsformen
nur illustrative Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen
Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten anhand gegeben.
Insbesondere ist die Erfindung nicht auf die zuletzt diskutierte,
besonders bevorzugte Ausgestaltung der Strombegrenzungsteilschaltungen
beschränkt.
Auch die konkrete Abfolge der Spannungsabgriffe über dem Messwiderstand 110 und
die Anordnung der Strombegrenzungsschaltungen 100, 100' einerseits,
andererseits oder beiderseits des Messwiderstandes ist nicht erfindungsrelevant.
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Selbstverständlich ist
es dem Fachmann auch anheim gestellt, eine erfindungsgemäße Strombegrenzungsschaltung
mit weiteren Sicherheitsmaßnahmen
zu kombinieren.
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- 10
- Strombegrenzungsschaltung
- 12
- Schaltungseingang
- 14
- Stromleitung
- 16
- Schaltungsausgang
- 20
- Strombegrenzungsschaltung
- 22
- Schaltungseingang
- 24
- Stromleitung
- 26
- Schaltungsausgang
- 100,
100'
- Strombegrenzungsteilschaltung
- 106,
106'
- Transistor
- 108,
108'
- Vorwiderstand
- 110
- Messwiderstand
- 112,
112'
- Spannungsabgriffszweig
- 114,
114'
- Spannungsabgriffszweig
- 116,
116'
- Shunt-Regler
- 118,
118'
- zusätzlicher
Shunt-Regler
- 120a,
120a'
- Zusatz-Vorwiderstand
- 120b,
120b'
- Zusatz-Messwiderstand
- 200,
200'
- Strombegrenzungsschaltung
- 210,
210'
- Messwiderstand
- 212,
212'
- Spannungsabgriffszweig
- 214,
214'
- Spannungsabgriffszweig