DE2056669C3 - Sicherheitsschaltung - Google Patents
SicherheitsschaltungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Eine Sicherheitsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs ist bereits aus der Zeitschrift
»Proceedings IEE«, Band 113, Nr. 12, Dezember 1966,
Seite 2070 bis 2073 bekannt. Jede Schranke dieser Sicherheitsschaltung weist drei Widerstände und zwei
Zenerdioden auf, infolgedessen der Aufwand an Bauelementen relativ groß ist Einer der drei Widerstände ist insbesondere zur zerstörungsfreien Prüfung jeder
Schranke durch Impedanzmessung vorgesehen. Bei derartigen Sicherheitsschaltungen ist häufig ein Austausch von einzelnen Schranken notwendig, d. h.
fehlerhafte Schranken müssen durch neue Schranken ersetzt werden. Der Aufbau von Schranken mit relativ
vielen Bauelementen ist dabei nachteilig, da die fehlerhaft arbeitende Schranke im allgemeinen nach
Ersatz durch eine neue Schranke weggeworfen wird. Der Aufbau der einzelnen Schranken erfordert den
Einsatz einer schnell ansprechenden Sicherung, wodurch sich der Nachteil ergibt, daß die einzelnen
Schranken bei kurzen Spannungsstößen außer Betrieb gesetzt werden. Die Vielzahl von Bauelementen, die bei
der bekannten Sicherheitsschaltung vorgesehen werden müssen, trägt unweigerlich zu einer hohen Ausfallsquote
Bauelemente ist Der Aufbau dieser Sicherheitsschaltung ist relativ aufwendig, der Austausch einzelner
Schranken ist mit vergleichbar hohen Kosten verbunden.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine SicherheitsschaUung mit Eigensicherheit
zu schaffen, bei der die einzelnen Schranken einfachen Aufbau haben und bei der insgesamt eine größere
Sicherheit gewährleistet ist Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltung hat hinsichtlich der verwendeten Schranken einfachen Aufbau,
so daß ein Austausch von Schranken mit reduzierten
ίο Kosten verbunden ist Die Vereinfachung des Aufbaus
wird durch den Einsatz einer Haupt-Schranke ermöglicht der die Gesamtfunktion der SicherheitsschaUung
verbessert Darüber hinaus wird die Wahrscheinlichkeit eines erforderlichen Austauschs einer Schranke verrin-
■5 gert Der Ausfall der Haupt-Schranke ist praktisch
unmöglich, da die Hauptschranke einen Gleichrichter-Schutzkreis zur Überbrückung der in der Haupt-Schranke eingesetzten zweiten Zenerdiode enthält
Die SicherheitsschaUung, die eine Begrenzung elek
frischer Energie auf einen eigensicheren Betrag
während einer Übertragung bewirkt enthält π einzelne Schranken, von denen jede eine Sicherung und zwei
Widerslände in Reihenschaltung und eine Zenerdiode zur Begrenzung der Spannung an der Verbindung der
Widerstände aufweist Eine Hochspannungsschalteinrichtung führt jede derartige Spannung zu der
Hauptschranke, weiche eine spannungsbegrenzende Zenerdiode aufweist Die Zenerdiode ist durch einen
gesteuerten Gleichrichter überbrückt welcher leitend
ist wenn letztere Diode übersteuert wird. Bei der
Sicherheitsschaltung ist im Gegensatz zum Bekannten eine Schranke durch zwei Schranken ersetzt d. h. π
Schranken sind durch (n+1) Schranken ersetzt wobei der Aufbau der einzelnen Schranken derart vereinfacht
ist daß für verhältnismäßig kleine Werte von η die
Kosten für (n+1) Schranken geringer als die Kosten für
η Schranken bei der bekannten SicherheitsschaUung sind. Die (n+l) Schranke, d.h. die Haupt-Schranke,
besteht aus einer einzigen Zenerdiode, die über eine
ODER-Schaltung aus Dioden der Schranken mit diesen
Schranken verbunden ist. Jeos Schranke besteht aus einer Sicherung, zwei Widerständen, einer Zenerdiode
und einem Teil der ODER-Schaltung. Durch die ODER-Schaltung wird erreicht daß die Zenerdiode der
Haupt-Schranke als die zweite Zenerdiode jeder einzelnen Schranke wirkt Die einzelnen Schranken
arbeiten daher wie die bekannten Schranken mit zwei Zenerdioden. Die Sicherheitsschaltung eignet sich
aufgrund ihrer erhöhten Eigensicherheit auch für
Die Wahrscheinlichkeit des Ausfalls einzelner Schranken der Sicherheitsschaltung ist verringert da
die Sicherungen der einzelnen Schranken für höhere Stromwerte ausgelegt sind. Ein Durchbrennen der
Sicherungen durch kurze Spannungsstöße wird damit und aufgrund der begrenzenden Wirkung der Zenerdioden verhindert
Besonders vorteilhaft ist der Ersatz einer der beiden Widerstände der Schranken durch einen strombegren
zenden Widerstand in Form von Transistorschaltungen,
wodurch eine höhere Eigensicherheit erreicht wird.
tm folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an Hand von Zeichnungen
beschrieben. Es zeigt
h' F i g. 1 den Aufbau der Sicherheitsschaltung,
Fig.2 die Schaltung einer Schranke, bei der ein
Widerstand durch eine FET-Schaltung ersetzt ist,
Fig.3 ein gegenüber Fig.2 abgewandeltes Schalt-
bild einer Schranke,
Fig,4 ein Schaltbild einer Schranke, bei der ein
Widerstand durch einen einzigen FET ersetzt ist, und
Fig,5 ein Schaltbild einer weiteren Schranke mit
einem einzigen Transistor.
Fig. 1 zeigt eine Sicherheitsschaltung mit insgesamt
/j+1 Schranken. Nach Fig. 1 sind η Schranken 5 und
eine die (n+ l)-te Schaltung bildende Haupt-Schranke 5' vorgesehen, wobei nur vier Schranken 5 dargestellt sind.
Von einer Schranke 5 und einer Haupt-Schranke 5' sind Einzelheiten der jeweiligen Schaltung dargestellt.
Jede der η Schranken 5 enthält Widerstände Rx, A3
und eine Zenerdiode Zx, während die Haupt-Schranke 5'
eine Zenerdiode Z2 und 13, einen Widerstand 12 und einen Silizium-Gleichrichter 11 aufweist Die Zenerdiode
Z2 ist über eine Leitung 6 mit einem äußeren Anschluß 7 der η-ten Schranke 5 verbunden. Die
Schaltung der Schranken 5 ist vorzugsweise in Epoxyharz mit dem Rest der Schaltung dieser Schranke
eingekapselt und weist eine Diode 8 auf, die den Anschluß 7 mit der Kathode der Zenerdiode Zx
verbindet. Da die Anode der Diode 8 mit der Kathode der Zenerdiode Zi verbunden ist, wird eine positive
Spannung von der Kathode der Zenerdiode Z2 über die Diode 8 in Durchlaßrichtung an die Kathode der
Zenerdiode Z2 angelegt Ein Vergleich der Zenerspannungen
der Zenerdioden Zi und Z2, deren Betrag in den
Figuren angegeben ist, zeigt, daß die n-te Schranke 5
und die Haupt-Schranke 5' derart arbeiten, daß die Zenerdiode Z2 vor der Zenerdiode Zi zündet
Die übrigen π Schranken 5 haben gleiche Schaltung wie die n-te Schranke 5, was durch die (n-l)-te
Schranke 5 angedeutet ist die ein Gehäuse und äußere Anschlüsse 1 bis 4 und 7 aufweist Der Anschluß 7 ist mit
einer Leitung 6 verbunden. Die in F i g. 1 oben gezeigten
Schranken 5 am Anfang der Sicherheitsschaltung, die an
der Oberseite einer Erdleitung GB in einem Gehäuse vorgesehen sind, haben Anschlüsse 1 bis 4 und 7, wobei
die Anschlüsse 7 in entsprechender Weise mit der Leitung 6 verbunden sind. Alle Schranken 5 sind
eingekapselt und mit einem Gehäuse versehen, wie in F i g. 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist Die
(n+1)-te Schranke hat nur zwei äußere Anschlüsse 9,10,
von welcher der Anschluß 9 mit der Kathode der Zenerdiode Zt in Verbindung steht Der Anschluß 10 ist
an die Anode der Zenerdiode Z2 und an die Erdleitung GB angelegt weiche auch als Halteeinrichtung für die
(n+l)-te Schranke 5 dienen kann und vorzugsweise mehrfach geerdet ist, wie in F i g. 1 unten gezeigt ist
Die Dioden 8 der einzelnen Schranken 5 bilden eine ODER-Schaltung, weiche einen Höchstwert auswählt
Dies bedeutet, daß die Spannung an der Kathode der Zenerdiode Z2 die höchste der Anodenspannungen der
Dioden 8 ist Diese höchste Spannung verursacht, daß die anderen Dioden in umgekehrter Richtung vorgespannt
sind, wodurch die entsprechenden Schranken 5 gegenüber dem Anschluß 9 gesperrt sind. Wenn so
beispielsweise die /Me Schranke S an ihrer Diode 8 die höchste Anodenspannung aufweist und wenn diese
Anodenspannung groß genug ist, um die Zenerdiode Z2
zu zünden, können die Anodenspannungen der anderen Dioden 8 einen beliebigen Wert haben, der auch groß
genug für die Zündung der Zenerdiode Z2 ist, wobei die
Zündung durch diese letztere Anodenspannung nicht möglich ist, solange die Diode 8 der /Men Schranke 5 die
höchste Anodenspannung hat Die Eigensicherheit für das an die Anschlüsse 3 und 4 der Schranke η
angeschlossene nicht dargestellte Gerät ist sehr groß, während die Eigensicherheit für das mit den Anschlüssen
3, 4 der (n-l)-ten Schranke 5 verbundenen Gerät etwas geringer ist, weil die /j-te Schranke die
Zenerdiode Z2 der (n-H)-ten Schranke, d.h. der
Haupt-Schranke 5' steuert. Die Wahrscheinlichkeit, daß die n-te und (n— l)-te Schranke gleichzeitig arbeiten
müssen, ist sehr gering und daher vernachlässigbar.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Sicherheitsschaltung
ist beim Austausch einer nicht richtig arbeitenden Schranke durch eine neue Schranke nur eine Zenerdiode,
zwei Präzisionswiderstände und die Diode 8 durch eine gleiche Schaltung mit diesen Bauteilen
auszutauschen. Bis zu 50 Schranken 5 können in Verbindung mit nur einer Hauptschranke 5' vorgesehen
'S werden, welche die Zenerdiode Z2 enthält; die Zenerdiode
Zi ist für eine große Zuverlässigkeit der Sicherheitsschaltung auszulegen. Die Zenerdiode Z2 wird vorzugsweise
auf 50 Watt ausgelegt Dadurch ist nicht nur die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls der Zenerdiode Z2,
sondern auch die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls der Zenerdiode Zj in den einzelnen Schrauben verringert
Die Wahrscheinlichkeit eines Austau-. ~ns einer Schranke
aufgrund von Fehlern, die nicht durc:; den Ausfaii
einer Sicherung bedingt sind, sowie durch den Ausfall einer Sicherung aufgrund innerer Fehler in der
Schranke ist damit reduziert.
Die Auslegung der Zenerdiode Z2 für eine höhere
Leistung ermöglicht eine hohe Auslegung der Sicherung F. Deshalb kann im Gegensatz zu einer Schrankenschaltung,
bei der eine schnell ansprechende Sicherung mit •/β Ampere Verwendung findet, in den einzelnen
Schranken eine schnell ansprechende Sicherung für 1 A verwendet werden. Dadurch wird ein Durchbrennen der
Sicherung aufgrund von solchen Spannungsstößen verhindert, weiche durch die Wirkung der Zenerdioden
der Schranken unterdrückt werden können.
Da die Sicherung Flangsam ansteigende Spannungsstöße mit verhältnismäßig hohen Stromstärken aufnehmen
kann, ist der Widerstand Rx vorzugsweise ein gewickelter Widerstand aus Draht für eine Durchg^ngsleistung
von 2 W, so daß er wie eine träge Sicherung arbeitet. Deshalb öffnet ein langsamer Anstieg auf.
1 Ampere, der die schnell ansprechende Sicherung F nicht durchschmelzen läßt, die Wicklung des Widerstands
Rx, da eine Leistung von 25 Watt in dem Widerstand Äi zu einem schnellen Durchbrennen seiner
Wicklung führt
Die Haupt-Schranke 5', welche die (n+ l)-te Schranke
in der Sicherheitsschaltung ist, enthält vorzugsweise einen Siliziumgleichrichter 11, einen Widerstand 12 mit
1 kn und eine Zenerdiode 13 (39 Volt, '/2 Watt), deren
Anode über den Widerstand 12 mit der Kathode des angesteuerten Siliziumgleichrichters 11 verbunden ist.
Da die Kathode der Zenerdiode 13 mit der Anode des Siliziur<g"eichrichters U und mit der Kathode der
Zenerdiode Z2 und die Kathode des Siliziumgleichrichters
11 mit der Anode der Zenerdiode Z2 verbunden ist,
wird der Siliziumgleichrichter 11 gezündet, wodurch sich ein Nebenschluß zur Zenerdiode Z2 ergibt, wenn die
b0 Spannung an dem Anschluß 9 hinreichend angestiegen
ist. Dadurch wiru die Zenerdiode Z2 geschützt
Normalerweise wird der Siliziumgleichrichter 11 nicht
wirksam, wenn die Spannung am Anschluß 1 einer einzelnen Schranke 5 nicht ausreichend hoch zur
b"' Zündung der Zenerdiode Zi und zur Zündung der
Zenerdiode Z2 ist; die Sicherung F oder der Widerstand
Rx kann nicht durchschmelzen. Die beiden Zenerdioden
Zi und Z2 werden durch die durch sie fließenden Ströme
übersteuert, so daß der Spannungsabfall an ihnen beträchtlich über ihre nominellen Zündspannungen
ansteigen kann. Dieser Anstieg ist ein Maß für den durch die Zenerdiode Zi fließenden Strom. Der Siliziumgleichrichter
11 bewirkt einen Nebenschluß der Zenerdiode Zi, wenn ein solcher Anstieg vorliegt, daß der Strom
durch die Zenerdiode eine solche Höhe erreichen würde, daß die Zenerdiode Z-i beschädigt wird. Wenn die
Spannung am Anschluß 9 diesen Wert erreicht, läßt die Zenerdiode 13 den Siliziumgleichrichter 11 leitend
werden. Da im Leitzustand, d. h. bei einer Zündung des Siliziumgleichrichters 11 die Kathode der Zenerdiode
Zi über den sehr kleinen Anoden-Kathoden-Widerstand
des Gleichrichters geerdet wird, werden die Zenerdiode Z2 und die Zenerdiode Z\ gesperrt. Wenn der
Siliziumgleichrichter 11 in den Leitzustand geschaltet
ist, bleibt er so lange leitend, bis er von der angeschlossenen Stromquelle wieder gesperrt wird. Der
Siliziumgleichrichter 11 wird daher durch das Durchschmelzen der Sicherung F oder des Widerstands R,
gesperrt. Der Siliziumgleichrichter 11 kann wesentlich höhere Ströme führen als jedes andere Element in der
Schaltung der Schranken. Da der gesteuerte Siliziumgleichrichter 11 normalerweise leitend ist, ist er
praktisch im Vergleich zu den normalerweise nicht leitenden Zenerdioden ausfallsicher, die nur während
derjenigen kurzen Zeitspanne leitend sind, die zum Durchschmelzen der Sicherung benötigt wird.
Solange sichere Energiebeträge auftreten, stellen die Schranken nicht nur GleichspannungEarr.chIus.se dar,
welche einen Teil einer Übertragungsleitung bilden, die sichere Teile und gefährliche Teile einer Anlage mit
Eigensicherheit verbindet. Diese Teile sind in den beiden oberen Schranken 5 in F i g. 1 als Gleichspannungsquellen
und Wechselspannungsquellen und als Widerstände dargestellt, die eine mehr oder weniger
lange Übertragungsleitung abschließen. Normalerweise verbindet die Übertragungsleitung die Gleichspannungsquellen
mit den entsprechenden Lastwiderständen. Die Wechselspannungsquellen, welche z. B. Wechselspannungs-Netzleitungen
darstellen, können für unsichere Energiewerte als Einrichtungen zum Schalten
elektrischer Energie (Wechselspannung oder Gleichspannung) in den Übertragungsleitungen vorgesehen
sein. Als Schalteinrichtungen müssen nicht übliche Schalteinrichtungen verwendet werden; es soll jedoch
eine Einrichtung eingesetzt werden, die verhindern kann, daß eine Wechselspannung an eine Übertragungsleitung
angelegt wird. Die Art der Geräte, die den sicheren und den gefährlichen Teil bilden, ist nicht
wesentlich, da es sich funktionsmäßig in allen Fällen um elektrische Energiequellen und um die Last dieser
Energiequellen handelt.
Das Ausmaß der Eigensicherheit der Sicherheitsschaltung nach F i g. 1 kann erhöht werden, indem die
Widerstände Ri durch Transistorschaltungen entsprechend
den Fig. 2 und 3 ersetzt werden. Derartige Transistorschaltungen ergeben eine Eigensicherheit der
Sicherheitsschaltung auch für Acetylen, Wasserstoff und entsprechende Atmosphären.
In Fig.2 ist der Widerstand R^ (Fig. 1) durch
Feldeffekttransistoren (FET) 14 und 15 ersetzt. Die Source-Elektrode des FET 14 ist mit der Drain-Elektrode
des FET 15 über einen Widerstand 16 verbunden. Die
Source-Elektrode des FET 15 ist über einen Widerstand 17 mit dem Anschluß 3 verbunden. Die Drain-Elektrode
des FET !4 ist an die Anode der Diode 8 und an die
Kathode der Zenerdiode Z\ angeschlossen.
Die Widerstände 16 und 17 erzeugen eine Vorspan nung für die FETs 14, 15. Die Spannung de
Drain-Elektrode des FET 15 wird an dessen Gate-Elek trode angelegt, und die Spannung am Anschluß 3 win
an die Gate-Elektrode des FET 15 angelegt Dii Widerstände 16 und 17 sind so ausgewählt, daß bei den
größten normalerweise zu erwartenden Stromwert de: von der Drain- zur Source-Elektrode fließenden Strom:
der Widerstand zwischen der Source- und Drain-Elek
ίο trode jedes FET nicht mehr als etwa die Hälfte dei
Widerstands von R] beträgt, oder in jedem Fall so ist
daß die Summe der Widerstände zwischen Source- un< Drain-Elektrode gleich dem Wert des Widerstands R
ist. Der zwischen Drain- und Source-Elektrode fließen
|5 de Strom sollte ferner einen solchen Wert haben, daß ei
die FETs etwa in ihrer Pinch-off-Spannung vorspannt Als Folge davon ergeben höhere Ströme eine
Vorspannung eines oder beider FETs oberhalb dei Pinch-off-Spannung. Dadurch wird der Strom auf einer
2" Wert begrenzt, der größer als .!er Normalwert, abei
nicht wesentlich größer ist, falls er nicht so groß wird um einen Lawinendurchbruch bei einem FRT zi
erzeugen. Anfänglich tritt jedoch nur bei einem dei FETs ein Pincheffekt auf, während dies bei dem anderer
praktisch nicht der Fall ist. Wenn bei dem FET bei dei Pinchspannung der Lawinendurchbruch auftritt, be
grenzt der andere FET den Lawinendurchbruchstrom bis bei ihm selbst der Lawinendurchbruch auftritt. Die
Wahrscheinlichkeit, daß bei beiden Transistoren eir Lawineneffekt auftritt, ist praktisch Null, selbst irr
Vergleich zu der Wahrscheinlichkeit, daß die Sicher heitsschaltung nicht das gewünschte Ausmaß ar
Eigensicherheit bringt.
Der Wert der Widerstände 16 und 17 hängt von der
)"> speziellen Stromstärken etc, der FETs, ab. Die beider
FETs 14, 15 haben vorzugsweise einen maximaler Source-Drain-Widerstand von etwa 60 Ohm odei
weniger, solange sie in dem sogenannten Triodenbe reich unterhalb der Pinchspannung arbeiten. Diesel
to Wert des Widerstands wird bei einer Eigenvorspannung von Null erreicht, wobei die Widerstände 16 und 17
Werte von Null Ohm haben; dies bedeutet, daß die Gate- und die Source-Elektroden des FET 14 direki
miteinander und mit der Drain-Elektrode des FET U
J5 verbunden sind, währenddessen Source- und Gate-Elektrode
direkt miteinander und mit dem Anschluß 3 verbunden sind.
Bei einem zwischen Drain- und Source-AnschluG fließenden Strom im Bereich von 25 bis 75 Milliampere
würde einer der zwei FETs einen Pincheffekt zeigen, se daß die erwähnten Folgen auftreten könnten.
F i g. 3 zeigt eine Bipolar-Transistorschaltung Dem Feldeffekttransistor 14 in Fig.2 entspricht ein npn-Transistor
18 mit einem Basiswiderstand 19 und einem
ίί Emitterwiderstand 20 zur Erzeugung einer Eigenvorspannung.
Dem Feldeffekttransistor 15 entspricht ein npn-Transistor 21 mit einem Emitterwiderstand 23 und
einem Basiswiderstand 22 zur Eigenvorspannung. Zenerdioden 24 und 25 verbinden die Basen der
*-" npn-Transistoren 18, 21 derart, daß eine Eigenvorspannung
erfolgt und ermöglichen einen Stromdurchgang in beiden Richtungen.
Im allgemeinen kann ein Transistor Verwendung finden, wenn die gesamten Vorspannungswiderstände
<■'- und die Drain-Source (oder Emitter-KoIlektor-)Widerstände
zusammen den Wert des zu ersetzenden ^Widerstands Ri ergeben.
Es kann auch nur ein einziger Transistor in den
gezeigten Schallungen verwendet werden. Ein einziger
Transistor für den Widerstand für R3 würde die
Eigensicherheit erniedrigen, welche durch die beiden Zenerdioden und die Sicherung der Schaltung gegeben
ist. Zwei Transistoren gewährleisten dagegen eine hohe Sicherheit Der wahrscheinlichste Ausfallgrund für
einen Feldeffekttransistor (oder einen bipolaren Transistor) ist ein Kurzschluß zwischen der Drain- und der
Sou^i·?- Elektrode (oder dem Kollektor und dem
Emitte:·), weshalb jeder Transistor im Ergebnis den anderen automatisch ersetzt, wenn dieser ausfallen
sollte.
Die Verwendung von Transistoren anstelle von Widerständen ergibt eine Erhöhung des Sicherheitsfaktors
aufgrund der empfindlichen Stromregelung bzw. Strombegrenzung. Widerstände arbeiten normalcrwei
se nicht wie Transistoren, weil sie keinen positiven Temperaturkoeffizienten haben; in jedem Fall sprechen
sie auf Stromänderungen zu langsam an, um in den Schranken eine geeignete Strombegrenzung zu gewährleisten.
Es können ferner Transistoren mit einem Ausfall im offenen oder gesperrten Zustand angewandt werden,
so daß im crsteren Fall der zusätzliche Transistor vermieden werden kann und dieselben Vorteile wie bei
der Verwendung des zusätzlichen Transistors erzielt werden.
Die in Fig. 2 und 3 angegebenen Werte hängen von dem Widerstand /?j ab, der gegenüber der in F i g. I
gezeigten Schaltung der Schranken 5 ersetzt wird. In dieser Schaltung hat jede Schranke zu jeder Zeit ihre
eigene Zenerdiode Zi.
Fig.4 zeigt eine Schaltung mit einem einzigen Transistor anstelle des Widerstands Rj in Fig. 1. Als
Transistor ist ein FET 26 eingesetzt, der einen Widerstand 27 für die Erzeugung einer Eigenvorspannung
hat. Der dem Widerstand Rj entsprechende Widerstandswert liegt bei etwa 15—60 Ohm maximal
für einen Vorspannungswiderstand zwischen 0 und 45 Ω.
Fig. 5 zeigt einen einzigen bipolaren Transistor 29 anstelle des Widerstands /?j in Fig. 1. Die Vorspannung
wird durch Widerstände 30 und 31 und eine Diode 32 erzeugt, wobei eine Diode 33 einen Stromdurchgang in
beiden Richtungen ermöglicht. Die Werte dieser Bauelemente entsprechen denen von Fig. 3 mit der
Ausnahme, daß die Dioden gewöhnliche Dioden und nicht Zenerdioden sind.
Die dargestellten Schranken sind positive Schranken, d. h„ daß sie ihre Funktion bezüglich der Anschlüsse 1
mit positivem Wert gegenüber Erde durchführen. Sie wären dagegen Kurzschlußschaltungen für Anschlüsse
1. die negativ gegenüber Erde sind, was deshalb eine Ausfall-Sicherheitsbedingung ist. Im Gegensatz hierzu
können alle Dioden in den Fig. 1, 2 und 3 umgekehrt
geschaltet, die n-Kanal-FETs in Fig.2 durch p-Kanal-FETs
ersetzt werden, und die npn-Transistoren in F i g. 2 können durch pnp-Transistoren ersetzt werden. Die
Sicherheitsschaltung führt dann ihre Funktion für Anschlüsse 1 aus, die negativ gegenüber Erde sind und
es ergibt sich eine Ausfall-Sicherheit durch eine Kurzschlußverbindung der Anschlüsse I mit Erde, wenn
diese positiv werden.
Die Sicherheitsschaltung in F i g. 1 hat beliebig viele Schranken, jedoch wird der Wert für η vorzugsweise
zwischen 10 und 50 gewählt. Der Wert η kann auch kleiner als 10 oder größer als 50 sein.
Je größer η ist, desto größer ist die Wirtschaftlichkeit,
aber auch die Wahrscheinlichkeit, daß mehr als eine einzelne Schranke gleichzeitig eine Spannung am
ίο Anschluß 7 hat, die zum Umschalten in den Leitzustand
der Zenerdiode Z2 ausreicht. Es ist zu beachten, daß eine
Redundanz der Schaltung die Eigensicherheit gewährleistet. Wenn die Zenerdiode Zi durch die n-te Schranke
5 in den Leitzustand geschaltet wird, muß dies zum Durchbrennen der Sicherung der η-ten Schranke 5 in
wenigen Millisekunden führen. Gleichzeitig würde in den anderen Schranken 5 die Zenerdiode Z\ die
entsprechende Sicherung während dieser wenigen Millisekunden durchschmelzen lassen. Unabhängig
davon liefern die Sicherungen Fund der Widerstand R\ einen schnellen und langsamen DurchschmeizsehuU
und außerdem enthält eine Schranke immer einen gesteuerten Siliziumgleichrichter 11, um einen Kurzschluß
am äußersten Ende zu ermöglichen.
Die sicheren Teile der Sicherheitsschaltung sind mit den Anschlüssen 1, 2 verbunden, während die gefährlichen
Teile mit den Anschlüssen 3,4 verbunden sind. Die Anschlüsse 2, 4 sind gewöhnlich geerdet. Während bei
der dargestellten Sicherheitsschaltung der gefährliche Teil eines Geräts od. dgl. aus Einrichtungen besteht, von
denen jede einen geerdeten und einen nichtgeerdeten Anschluß haben, können einige Einrichtungen ungeerdet
sein oder mehr als einen ungeerdeten Anschluß haben; hierbei sind so viele einzelne Schranken
notwendig, wie diese ungeerdete Anschlüsse hat, wobei jede derartige Schranke mit ihren Anschlüssen 2, 4 mit
einer gemeinsamen Schaltung verbunden ist, die geerdet oder ungeerdet sein kann. Die speziellen Parameter der
Sicherheitsschaltung ergeben sich aus den Spannungs- und Stromstärkeparametern üblicher Gleichspannungssysteme. Insbesondere wird die Spannung an den
Anschlüssen 3, 4 aul etwa 30 Volt begrenzt, wenn eine effektive Last vorhanden ist, die bis zu etwa 250
Milliampere aufnehmen kann, aber normalerweise wesentlich weniger aufnimmt, und die den Widerstand
von beispielsweise 150 Ω der Schranke, sowie den
Leitungswiderstand und den Ausgangswiderstand der Schranke seitens der Anschlüsse 1, 2 vernachlässigbar
werden läßt.
Diese speziellen Parameter, Anforderungen an die Sicherheitsschaltung und Schaltungselemente sind unkritisch
und können unterschiedlich sein. Es gibt Systeme mit höheren Spannungen, in welchen Gasentladungsröhren
mit kalter Kathode, mechanische Schalter und andere Einrichtungen anstelle der Zenerdioden
eingesetzt werden. Grundsätzlich können anstelle von Zenerdioden solche Einrichtungen Verwendung finden,
welche gleiche Entladungseigenschaften sowie eine geeignete Strombelastbarkeit und eine geeignete
Entladungsspannung haben, wie z. B. Tunneldioden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
803 684/93
Claims (4)
1. SicherheitsschaUung mit Eigensicherheit, bestehend aus einem sicheren Teil, einem gefährlichen
Teil und mehreren, den sicheren Teil mit dem gefährlichen Teil verbindenden Schranken, welche
jeweils gleichen Aufbau haben und zwei Dioden, Widerstände sowie eine Schmelzsicherung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Schranken (5) eine Haupt-Schranke (5')
vorgesehen ist, daß jede der Schranken (5) als zweite
Diode eine Zenerdiode (Zi) und insgesamt zwei Widerstandselemente (Widerstände /i|, A3) enthält,
daß alle ersten Dioden (8) eine ODER-Schaltung bilden, weiche die Schranken (5) mit der Haupt-Schranke (5') verbindet, und daß die Haupt-Schranke (5') eine Zenerdiode (Z2) und einen zu dieser
Zenerdiode (Z2) parallelgeschalteten Gleichrichter-Schutzkreis (11,12,13) aufweist
2. SicherheitsschaUung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß ein Widerstandselement
(Widerstand A3) der Schranken (5) durch eine
FET-Schaltung (14 bis 17) ersetzt ist
3. SicherheitsschaUung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß ein Widerstandselement
(Widerstand A3) der Schranken (5) durch eine
Bipolar-Transistorschaltung (Ig bis 25; 29 bis 33)
ersetzt ist
4. SicherheitsschaUung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Bipolar-Transistorschaltung (29 bis 33) einen einzigen Transistor aufweist.
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