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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 ersten Transistor
und einem zweiten Transistor gleicher Zonenfolge mit jeweils einem
Basiswiderstand besteht und vierpolig zwischen die elektronische Schaltung
des elektrischen Betriebsmittels und die Leiterschleife eingeschaltet
ist. Die Schaltzelle weist einen ersten und einen zweiten Speisestromanschluss
sowie einen ersten und einem zweiten Steueranschluss auf.
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Dabei
ist im Einzelnen der Emitter des ersten Transistors mit dem ersten
Speisestromanschluss verbunden und der Kollektor des ersten Transistors mit
dem zweiten Speisestromanschluss. Der erste Basiswiderstand ist
zwischen die Basis des ersten Transistors und den ersten Steueranschluss
geschaltet. Der Kollektor des zweiten Transistors ist mit der Basis
des ersten Transistors verbunden. Der Emitter des zweiten Transistors
ist mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden und der zweite
Basiswiderstand ist zwischen die Basis des zweiten Transistors und
den zweiten 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 und alle
zweiten Steueranschlüsse
sind mit der erste 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
jeweils erste Transistor jeder Schaltzelle ist während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs der
Schutzschaltungsanordnung für
den Speisestrom in Durchlassrichtung geöffnet und der jeweils zweite
Transistor ist gesperrt. Dabei befinden sich die jeweils ersten
Transistoren jeder Schaltzelle im Zustand der Sättigung.
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Im
Falle eines Kurzschlusses auf der Zweidrahtleitung wird der jeweils
zweite Transistor jeder Schaltzelle leitend und hält dabei
mit seiner geöffneten
Kollektor-Emitter-Strecke
die Kollektor-Basis-Strecke des jeweils ersten Transistors im gesperrten
Zustand. Damit wird die niederohmige Entladung aller 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 jeweils ersten Transistors 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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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Transistoren als Metalloxidsiliziumfeldeffekttransistor
(MOSFET) ausgebildet. Entsprechend den Anschlussbezeichnungen der
MOSFET sind der Toranschluss anstelle der Basis des Bipolartransistors, der
Quellenanschluss und der Senkenanschluss in beliebiger Zuordnung
anstelle des Kollektors und des Emitters beschaltet.
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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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5 ein
Schaltbild einer Schaltzelle mit MOSFET
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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 ersten
Transistor 17 und einem zweiten Transistor 18 gleicher
Zonenfolge mit jeweils einem Basiswiderstand 15 und 16.
Die Schaltzelle 10, 20, 30 weist einen
ersten Speisestromanschluss 11, 21, 31 und
einen zweiten Speisestromanschluss 12, 22, 32 sowie einen
ersten Steueranschluss 13, 23, 33 und
einem zweiten Steueranschluss 14, 24, 34 auf.
Die Transistoren 17 und 18 weisen in dieser gezeigten
Ausführungsform
die Zonenfolge PNP auf.
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Der
Emitter des ersten Transistors 17 ist mit dem ersten Speisestromanschluss 11, 21, 31 verbunden
und der Kollektor des ersten Transistors 17 mit dem zweiten
Speisestromanschluss 12, 22, 32. Der erste
Basiswiderstand 15 ist zwischen die Basis des ersten Transistors 17 und
den ersten Steueranschluss 13, 23, 33 geschaltet.
Der Kollektor des zweiten Transistors 18 ist mit der Basis
des ersten Transistors 17 verbunden. Der Emitter des zweiten
Transistors 18 ist mit dem Kollektor des ersten Transistors 17 verbunden
und der zweite Basiswiderstand 16 ist zwischen die Basis
des zweiten Transistors 18 und den zweiten Steueranschluss 14, 24, 34 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 weisen die Transistoren 17 und 18 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
vierpolige 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 ersten Steueranschlüsse 13, 23, 33 sind
mit der zweiten Anschlussklemme 3 der Leiterschleife 1 verbunden
und alle zweiten Steueranschlüsse 14, 24, 34 sind
mit der erste Anschlussklemme 2 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, 18 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, 18 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 und der jeweils zweite
Transistor 18 ist gesperrt. Dabei befinden sich die jeweils ersten
Transistoren 17 jeder Schaltzelle 10, 20, 30 im Zustand
der Sättigung.
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 jeweils
zweite Transistor 18 jeder Schaltzelle 10, 20, 30 leitend
und hält
dabei mit seiner geöffneten
Kollektor-Emitter-Strecke die Kollektor-Basis-Strecke des jeweils
ersten Transistors 17 im gesperrten Zustand. Damit wird
die niederohmige Entladung aller Energiespeicher 41 des
elektrischen Betriebsmittels 40 über den Kurzschluss auf der Zweidrahtleitung
sicher vermieden.
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Schließlich ist
in 5 nnter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche
Mittel eine Schaltzelle mit als MOSFET vom Typ PMOS ausgebildeten
Transistoren 17 und 18 gezeigt. Dabei ist entsprechend
der Anschlussbezeichnungen von MOSFET's der Senkenanschluss des ersten Transistors 17 ist
mit dem ersten Speisestromanschluss 11, 21, 31 verbunden
und der Quellenanschluss des ersten Transistors 17 mit
dem zweiten Speisestromanschluss 12, 22, 32.
Der erste Basiswiderstand 15 ist zwischen dem Toranschluss
des ersten Transistors 17 und den ersten Steueranschluss 13, 23, 33 geschaltet.
Der Quellenanschluss des zweiten Transistors 18 ist mit
dem Toranschluss des ersten Transistors 17 verbunden. Der
Senkenanschluss des zweiten Transistors 18 ist mit dem
Quellenanschluss des ersten Transistors 17 verbunden und
der zweite Basiswiderstand 16 ist zwischen den Toranschluss des
zweiten Transistors 18 und den zweiten Steueranschluss 14, 24, 34 geschaltet.
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Es
liegt im Rahmen der Erfindung die MOSFET vom Typ PMOS durch MOSFET
vom Typ NMOS zu ersetzen. Wegen der symmetrischen Bauart von MOSFET
liegt es ferner im Rahmen der Erfindung, den Quellenanschluss jedes
Transistors 17 oder 18 mit dem Senkenanschluss
desselben Transistors 17 oder 18 zu vertauschen.
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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
- erster
Steueranschluss
- 14,
24, 34
- zweiter
Steueranschluss
- 15
- erster
Basiswiderstand
- 16
- zweiter
Basiswiderstand
- 17
- erster
Transistor
- 18
- zweiter
Transistor
- 40
- elektrisches
Betriebsmittel
- 41
- Energiespeicher
- 42
- elektronische
Schaltung