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Die
Erfindung betrifft eine Schutzschaltungsanordnung für aus einer
Leiterschleife gespeiste elektrische Betriebsmittel in explosionsgefährdeter Umgebung
verfahrenstechnischer Anlagen.
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Derartige
elektrische Betriebsmittel sind für sich als Feldgeräte bekannt
und werden insbesondere als Messwertaufnehmer für Druck, Temperatur, Durchfluss
und dergleichen, als Aktoren zur Steuerung und Bedienung von Stellgliedern,
wie Ventilen oder Klappen, oder als Kommunikationsbausteine zum
Datenaustausch zwischen interoperierenden automatisierungstechnischen
Einrichtungen eingesetzt.
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Für den Einsatz
von elektrischen Betriebsmitteln in explosionsgefährdeter
Umgebung verfahrenstechnischer Anlagen gelten besondere Sicherheitsvorschriften.
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Diese
Sicherheitsvorschriften sehen vor, dass bei Kurzschluss der Adern
der speisenden Leiterschleife keine Energie aus dem Feldgerät in die Leiterschleife
zurückgespeist
werden darf, die zur Zündung
der umgebenden explosionsgefährdeten Atmosphäre führen darf.
Daraus leitet sich das Erfordernis ab, den Stromfluss zum Feldgerät hin zuzulassen
und den inversen Stromfluss aus dem Feldgerät heraus zu blockieren. Es
ist dem Fachmann ohne gesonderten Nachweis allgemein geläufig, das
Dioden eine Durchlassrichtung, in der der Stromfluss durch die Diode
möglich
ist, und eine Sperrrichtung, in der der Stromfluss durch die Diode
gesperrt ist, aufweisen und somit in die Speiseleitung eingefügt das Erfordernis
des Rückspeiseschutzes
erfüllen.
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Ferner
wird aus Sicherheitsgründen
die redundante Auslegung von sicherheitsrelevanten Bauteilen gefordert.
Daraus ergibt sich eine Reihenschaltung aus mindestens zwei, in
Folge besonderer nationaler Vorschriften drei Dioden. Eine solche
bekannte Schutzschaltung ist in 1 gezeigt.
Ausgehend von einem Spannungsabfall je Diode in Durchlassrichtung
von etwa 0,6 V bei Raumtemperatur ergibt sich ein Gesamtspannungsabfall über der
Schutzschaltung nach 1 in Höhe von 1,8 V bei Raumtemperatur,
der mit abnehmender Umgebungstemperatur auf bis zu 3,0 V bei –40°C ansteigt.
Bei einer über
eine Stromschleife gespeisten Feldgeräteanordnung führt der
Spannungsabfall über
der Schutzschaltung zu einer unerwünschten Reduktion der Reichweite
der Stromschleife.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltung
anzugeben, die in Durchlassrichtung einen geringeren Spannungsabfall
als die bekannte Diodenschaltung aufweist.
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Die
Erfindung geht aus von einem zweipoligen elektrischen Betriebsmittel,
das aus einer Zwei-Draht-Leiterschleife gespeist ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine kaskadierbare Schaltzelle gelöst, die aus einem Transistor
mit einem Basiswiderstand besteht und zwischen die elektronische
Schaltung des elektrischen Betriebsmittels und die Leiterschleife
eingeschaltet ist. Der Transistor ist von asymmetrischer Bauart,
bei der die Vorwärtsverstärkung um
ein Vielfaches größer ist
als die Rückwärtsverstärkung. Vorzugsweise
liegt die Rückwärtsverstärkung im
einstelligen Bereich.
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Die
Schaltzelle weist einen ersten und einen zweiten Speisestromanschluss
sowie einen Steueranschluss auf. Dabei ist im Einzelnen der Emitter
des Transistors mit dem ersten Speisestromanschluss verbunden und
der Kollektor des Transistors mit dem zweiten Speisestromanschluss.
Der Basiswiderstand ist zwischen die Basis des Transistors und den
ersten Steueranschluss geschaltet.
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Der
erste Speisestromanschluss der ersten Schaltzelle ist mit einer
ersten Anschlussklemme der Leiterschleife verbunden. Der zweite
Speisestromanschluss der letzten Schaltzelle ist über die
elektronische Schaltung des Betriebsmittels mit der zweiten Anschlussklemme
der Leiterschleife verbunden. Alle ersten Steueranschlüsse sind
mit der zweiten Anschlussklemme der Leiterschleife verbunden.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung sind eine Mehrzahl von Schaltzellen
derart kaskadiert, dass der erste Speisestromanschluss der einen Schaltzelle
mit dem zweiten Speisestromanschluss der anderen, benachbarten Schaltzelle
verbunden ist.
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Die
Zweidrahtleitung der Leiterschleife ist mit der ersten und der zweiten
Anschlussklemme verbunden.
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Der
Transistor jeder Schaltzelle ist während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs
der Schutzschaltungsanordnung für
den Speisestrom in Durchlassrichtung geöffnet. Dabei befinden sich
die Transistoren jeder Schaltzelle im Zustand der Sättigung.
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Im
Falle eines Kurzschlusses auf der Zweidrahtleitung wird der Transistor
jeder Schaltzelle invers angesteuert betrieben, indem der Kollektor
als Emitter und der Emitter als Kollektor wirkt. In dieser auch
als Rückwärtsbetrieb
bezeichneten Betriebsart unterscheiden sich die Transistorparameter
in Abhängigkeit
von der Transistorgeometrie von den Transistorparametern in der
bestimmungsgemäßen Vorwärtsbetriebsart.
Dabei wird der Transistor invers, mit hohem Innenwiderstand leitend,
weil der Basisstrom durch die vergleichsweise geringe Rückwärtsverstärkung nur
zu einem viel geringen Kollektorstrom als in Vorwärtsrichtung
verstärkt
wird, und lässt
die Ladung des aller Energiespeicher in dem elektrischen Betriebsmittel
kontrolliert abfließen.
Somit wird die niederohmige Entladung der Energiespeicher in dem
elektrischen Betriebsmittel über
den Kurzschluss auf der Zweidrahtleitung sicher vermieden.
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Vorteilhafterweise
ist der Spannungsabfall über
der geöffneten
Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors in Vorwärtsrichtung
in der Sättigung
viel geringer als der Spannungsabfall über einer Diode und darüber hinaus
weit weniger von der Temperatur abhängig. Praktische Versuche haben
ergeben, dass über
einer erfindungsgemäßen Schutzschaltungsanordnung
mit drei kaskadierten Schaltzellen über den gesamten interessierenden
Temperaturbereich weniger als 0,25 V abfallen. Damit ist die Einflussnahme der
Schutzschaltungsanordnung auf die maximal mögliche Leitungslänge der
Zweidrahtleitung sehr gering.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die
dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Schaltbild einer Schutzschaltungsanordnung nach dem Stand der Technik
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2 ein
Schaltbild einer Schaltzelle der erfindungsgemäßen Schutzschaltungsanordnung
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3 ein
Schaltbild einer alternativen Schaltzelle der erfindungsgemäßen Schutzschaltungsanordnung
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4 ein
Prinzipschaltbild eines elektrischen Betriebsmittels an einer Zweidrahtleitung
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In
der 1 ist die bereits eingangs erwähnte, bekannte Schutzschaltungsanordnung
für elektrische
Betriebsmittel 40 an einer Zweidrahtleitung 1 dargestellt.
Die Schutzschaltungsanordnung besteht aus einer Reihenschaltung
von drei Dioden 5, die in Durchlassrichtung in die Zuleitung
zur elektronische Schaltung 42 eingeschaltet sind. Im Falle
eines Kurzschlusses auf der Zweidrahtleitung 1 wird die
Rückspeisung
von Energie aus der elektronischen Schaltung 42 in die
Zweidrahtleitung 1 durch die Sperrwirkung der Dioden 5 in
Sperrichtung vermieden.
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In
der 2 ist ein Schaltbild einer Schaltzelle 10, 20, 30 der
erfindungsgemäßen Schutzschaltungsanordnung
gezeigt.
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Die
Schaltzelle 10, 20, 30 besteht aus einem Transistor 17 mit
einem Basiswiderstand 15. Die Schaltzelle 10, 20, 30 weist
einen ersten Speisestromanschluss 11, 21, 31 und
einen zweiten Speisestromanschluss 12, 22, 32 sowie
einen Steueranschluss 13, 23, 33 auf.
Der Transistoren 17 weist in dieser gezeigten Ausführungsform
die Zonenfolge PNP auf.
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Der
Emitter des Transistors 17 ist mit dem ersten Speisestromanschluss 11, 21, 31 verbunden und
der Kollektor des Transistors 17 mit dem zweiten Speisestromanschluss 12, 22, 32.
Der Basiswiderstand 15 ist zwischen die Basis des Transistors 17 und
den Steueranschluss 13, 23, 33 geschaltet.
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Unter
Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in 3 eine
alternative Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltzelle 10, 20, 30 gezeigt.
Dabei weist der Transistor 17 in dieser Ausführungsform
die Zonenfolge NPN auf.
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Gemäß der Darstellung
in 4 weist das elektrische Betriebsmittel 40 eine
elektronische Schaltung 42 und einen Energiespeicher 41 auf.
Dabei kann der Energiespeicher 41 als konzentriertes Bauelement
in Form eines Kondensators oder in verteilter Form vorliegen. Das
elektrische Betriebsmittel 40 ist aus einer Leiterschleife 1 mit
einem Gleichstrom gespeist und dazu an eine erste Anschlussklemme 2 und
eine zweite Anschlussklemme 3 der Leiterschleife 1 angeschlossen.
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Die
Schaltzelle 10, 20, 30 ist zwischen die elektronische
Schaltung 42 des elektrischen Betriebsmittels 40 und
die Anschlussklemmen 2 und 3 der Leiterschleife 1 eingeschaltet.
Zur Gewährleistung
der geforderten Sicherheit sind drei Schaltzellen 10, 20, 30 redundant
in Reihe geschaltet. Dabei ist der erste Speisestromanschluss 11 der
ersten Schaltzelle 10 mit der ersten Anschlussklemme 2 der Leiterschleife 1 verbunden.
Der zweite Speisestromanschluss 32 der letzten Schaltzelle 30 ist über die elektronische
Schaltung 42 des Betriebsmittels 40 mit der zweiten
Anschlussklemme 3 der Leiterschleife 1 verbunden.
Alle Steueranschlüsse 13, 23, 33 sind
mit der zweiten Anschlussklemme 3 der Leiterschleife 1 verbunden.
Die Schaltzellen 10, 20, 30 sind derart
kaskadiert, dass der erste Speisestromanschluss 21 der
zweiten Schaltzelle 20 mit dem zweiten Speisestromanschluss 12 der
benachbarten ersten Schaltzelle 10 verbunden ist. Dementsprechend
ist der erste Speisestromanschluss 31 der dritten Schaltzelle 30 mit
dem zweiten Speisestromanschluss 22 der benachbarten zweiten
Schaltzelle 20 verbunden.
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Die
Zweidrahtleitung der Leiterschleife 1 ist mit der ersten
und der zweiten Anschlussklemme 2, 3 verbunden.
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In
einer ersten Ausführungsform
der Schutzschaltungsanordnung nach 4 sind die
Schaltzellen 10, 20, 30 mit PNP-Transistoren 17 gemäß der Darstellung
in 2 ausgerüstet.
Dabei ist an der ersten Anschlussklemme 2 der Pluspol und
an der zweiten Anschlussklemme 3 der Minuspol der Gleichstrom
führenden
Zweidrahtleitung angeschaltet.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der Schutzschaltungsanordnung nach 4 sind die Schaltzellen 10, 20, 30 mit
NPN-Transistoren 17 gemäß der Darstellung
in 3 ausgerüstet.
Dabei ist an der ersten Anschlussklemme 2 der Minuspol
und an der zweiten Anschlussklemme 3 der Pluspol der Gleichstrom
führenden
Zweidrahtleitung angeschaltet.
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Unabhängig von
der Ausführungsform
der Schutzschaltungsanordnung ist der jeweils erste Transistor 17 jeder
Schaltzelle 10, 20, 30 während des
bestimmungsgemäßen Gebrauchs
der Schutzschaltungsanordnung für
den Speisestrom in Durchlassrichtung geöffnet. Dabei befinden sich
die Transistoren 17 jeder Schaltzelle 10, 20, 30 im
Zustand der Sättigung
in ihrer bestimmungsgemäßen Vorwärtsbetriebsart.
In diesem Betriebszustand wird die elektronische Schaltung 42 des
elektrischen Betriebsmittels 40 bestimmungsgemäß aus der
Zweidrahtleitung gespeist und der Energiespeicher 41 geladen.
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Im
Falle eines Kurzschlusses auf der Zweidrahtleitung wird der Transistor 17 jeder
Schaltzelle 10, 20, 30 invers leitend
und entlädt
dabei mit seiner vergleichsweise hochohmig geöffneten Kollektor-Emitter-Strecke
die Energiespeicher 41. Damit wird die niederohmige Entladung
aller Energiespeicher 41 des elektrischen Betriebsmittels 40 über den Kurzschluss
auf der Zweidrahtleitung sicher vermieden.
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Im
Weiteren wird von einem Verhältnis
der Stromverstärkungen
in Vorwärtsbetrieb
und Rückwärtsbetrieb
des Transistors 17 von 20 im Sättigungszustand ausgegangen.
Das heißt,
die Stromverstärkung
im durchgesteuerten Vorwärtsbetrieb
ist die 20-fache Stromverstärkung
im durchgesteuerten Rückwärtsbetrieb
des Transistors 17. Bei einem maximalen Speisestrom von
20 mA auf der Zweidrahtleitung während
des bestimmungsgemäßen Gebrauchs
wird der Rückspeisestrom
in die kurzgeschlossene Zweidrahtleitung auf 1 mA begrenzt.
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- 1
- Leiterschleife
- 2
- erste
Anschlussklemme
- 3
- zweite
Anschlussklemme
- 5
- Diode
- 10,
20, 30
- Schaltzelle
- 11,
21, 31
- erster
Speisestromanschluss
- 12,
22, 32
- zweiter
Speisestromanschluss
- 13,
23, 33
- Steueranschluss
- 15
- Basiswiderstand
- 17
- Transistor
- 40
- elektrisches
Betriebsmittel
- 41
- Energiespeicher
- 42
- elektronische
Schaltung