DE3407800C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Sicherheits­ barriere nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (US-PS 38 18 273).

Eigensichere Stromkreise sind gemäß DIN EN 50 014 (VDE 0170/0171) insbesondere EN 50 020, solche Stromkreise, in denen kein Funke und kein thermischer Effekt im norma­ len Betrieb eine Zündung einer bestimmten explosions­ fähigen Atmosphäre hervorrufen können.

Die Erfindung befaßt sich mit den zwischen dem eigen­ sicheren und dem nichteigensicheren Stromkreis befind­ lichen Sicherheitsbarrieren gemäß DIN EN 50 020, Pkt. 8.

Eine bekannte Schaltung, die in der Fig. 1 dargestellt ist, besitzt zwei Schalttransistoren T 1 und T 2, wobei dem Emitter des ersten Schalttransistors T 1 ein erster Fühlwiderstand R 1 nachgeschaltet ist, der mit seinem anderen Ende mit dem Kollektor des zweiten Schalttran­ sistors T 2 verbunden ist. Der Emitter des zweiten Schalttransistors T 2 ist mit einem zweiten Fühlwider­ stand R 2 verbunden. Der erste Fühlwiderstand R 1 ist in den Basis-Emitterkreis eines ersten Steuertransistors T 3 und der zweite Fühlwiderstand R 2 ist in den Basis- Emitterkreis eines zweiten Steuertransistors T 4 geschal­ tet. Der Kollektor des ersten Steuertransistors T 3 ist mit der Basis des ersten Schalttransistors T 1 und der Kollektor des zweiten Steuertransistors T 4 mit der Basis des zweiten Schalttransistors T 2 verbunden; zusätzlich ist im Kollektor-Basiskreis des ersten Schalttransistors T 1 ein erster Basiswiderstand R 3 geschaltet; die Basis des zweiten Schalttransistors ist über einen zweiten Basistransistor R 4 praktisch parallel zu dem ersten Ba­ siswiderstand R 3 und dem Steuertransistor T 3 geschaltet. Die beiden Schalttransistoren T 1 und T 2 werden über die beiden Basiswiderstände R 3 und R 4 angesteuert. Über­ steigt der Spannungsabfall an den beiden Widerständen R 1 und R 2 die Basis-Emitterspannung von T 3 und T 4, dann fließt ein Steuerstrom über deren Kollektor- Emitterstrecke ab und die Schalttransistoren T 1 und T 2 sperren. Aufgrund der geringen Regelverstärkung inso­ weit, als die Widerstände R 3 und R 4 niederohmig sein müssen, um T 1 und T 2 durchsteuern zu können, bringt die bekannte Schaltung gemäß Fig. 1 eine relativ mäßige Stromquelleneigenschaft.

Die Fig. 2 zeigt eine weitere, aus der US-PS 38 18 273 bekannte Schaltung, die gegenüber der der Fig. 1 deut­ lich verbessert ist. Vor dem Schalt- oder Stelltransi­ stor T 1 ist in dessen Emitterstrecke der Widerstand R 1 geschaltet; der zweite Widerstand R 2 ist mit dem Kollek­ tor des ersten Stelltransistors und dem Emitter des zweiten Stelltransistors verbunden; die Widerstände R 1 und R 2 befinden sich jeweils in der Basis-Emitterstrecke der beiden Steuertransistoren T 3 und T 4; die Kollektoren der letzten Steuertransistoren T 3 und T 4 sind mit der Basis der Stelltransistoren T 1 und T 2 jeweils verbunden. Gleich­ zeitig ist die Basis der Transistoren T 1 und T 2 über Widerstände R 3 und R 4 mit der Rückleitung verbunden. Diese Schaltungsanordnung ist von den derzeit bekannten Schaltungen die günstigste bezogen auf den Spannungs­ abfall; da aber über die Widerstände R 3 und R 4 ggf. ein Fehlstrom fließen kann, ist die Schaltung für eigen­ sichere Meßkreise nur bedingt geeignet.

Bei beiden bekannten Schaltungsanordnungen befinden sich in der Hinleitung zwei Fühlwiderstände, mit denen die Schalt- bzw. Stelltransistoren angesteuert werden. Dies hat zur Folge, daß der Spannungsabfall bei beiden Schaltungsanordnungen, die den Vorschriften (siehe oben) genügen, relativ hoch ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sicherheitsbarriere der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der Spannungsabfall noch weiter verringert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Anstatt zweier Fühlwiderstände in der Hinleitung ist jetzt nur noch ein Widerstand vorgesehen, dessen Span­ nungsabfall für die Ansteuerung beider Steuertran­ sistoren verwendet wird.

Dabei besteht in einer ersten Ausführungsform die Möglichkeit, daß der Emitteranschluß beider Steuertran­ sistoren gemeinsam mit einem Ende des einzigen Fühl­ widerstandes und die Basis beider Steuertransistoren gemeinsam mit dem anderen Ende des Fühlwiderstandes verbunden sind. Dadurch erhält man eine gleichzeitige Ansteuerung der beiden Steuertransistoren und damit auch eine gleichzeitige Ansteuerung der beiden Schalt- bzw. Stelltransistoren.

Eine weitere Verbesserung der erfindungsgemäßen Sicher­ heitsbarriere kann darin bestehen, daß die Kollektoren beider Steuertransistoren jeweils an die Basis je eines weiteren Steuertransistors angeschlossen sind, welche weiteren Steuertransistoren die Schalt- bzw. Stelltran­ sistoren ansteuern. Diese Ausführung ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung insoweit als die Regelung verbessert ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann dahin­ gehen, daß die Kollektoren beider Steuertransistoren jeweils an die Basis je eines weiteren Steuer­ transistors angeschlossen sind, welche weitere Steuer­ transistoren die Schalttransistoren ansteuern.

Anhand der Zeichnung, in der der Stand der Technik sowie einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, soll die Erfindung und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden. Es zeigen

Fig. 1 und 2 je zwei Schaltungsanordnungen für eine Sicherheitsbarriere gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3 eine erste Ausgestaltung einer erfin­ dungsgemäßen Sicherheitsbarriere,

Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung einer erfin­ dungsgemäßen Sicherheitsbarriere,

Fig. 5 eine dritte,

Fig. 6 eine vierte Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Sicherheitsbarriere, und

Fig. 7 eine weitere Schaltungsanordnung, bei der die Stromquelleneigenschaft des Schalt­ transistors selbst ausgenutzt ist.

Die Ausführungen gemäß Fig. 1 und 2 sind schon oben dargestellt worden. Es wird deshalb nunmehr Bezug genommen auf die Fig. 3.

Die Schaltungsanordnung besitzt eine Hinleitung H und eine Rückleitung R. Links ist der nichteigensichere und rechts der eigensichere, mit "i" bezeichnete Stromkreis; diese Zuordnung gilt auch für die Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 4 bis Fig. 6. Im übrigen bedeuten gleiche Buchstaben bzw. Bezugsziffern gleiche oder zumindest ähnliche Bauteile; es sind auch in den Ausgestaltungen gemäß den Fig. 1 und 2 gleiche oder zumindest ähn­ liche Bauteile wie in den Fig. 3 bis 6 verwendet.

In der Hinleitung 4 und dort im Emitter des ersten Schalt- oder Stelltransistors T 1 ist der Fühlwiderstand R 1 angeordnet. Der Kollektor des ersten Stelltransistors T 1 ist mit dem Emitter des zweiten Stelltransistors T 2 verbunden und der Kollektor des zweiten Stelltransistors ist mit dem Ausgang der Sicherheitsbarriere verbunden. Ein Ende des Widerstandes R 1 ist mit den Emittern jeweils eines Steuertransistors T 3 und T 4 verbunden, deren Basis über einen Widerstand R 5 bzw. R 6 mit dem anderen Ende des Widerstandes R 1 verbunden sind; der Anschlußpunkt liegt in der Emitterstrecke des ersten Schalttransistors. Die Kollektoren der beiden Transistoren T 3 und T 4 sind mit der Basis der beiden Schalttransistoren T 1 und T 2 verbunden, wobei zwischen dem Kollektor der Transistoren T 3 und T 4 und der Basis der Transistoren T 1 und T 2 je zwei Dioden 10 und 11 bzw. 12 und 13 zwischengeschaltet sind. Jeweils in Reihe mit den beiden Dioden befindet sich jenseits des Anschlußpunktes der beiden Kollektoren von den Transistoren T 3 und T 4 jeweils ein Steuerwider­ stand R 3 und R 4, deren anderes Ende mit der Rückleitung verbunden ist.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist wegen der Verringerung der Zahl der Fühlwiderstände gegenüber dem Stand der Technik erreicht worden, daß der Span­ nungsabfall erheblich verringert ist. Zur Regelung des an der Hinleitung abzunehmenden Stromes wird der Span­ nungsabfall lediglich des Widerstandes R 1 ausgenutzt. Der in der Schaltungsanordnung entstehende gesamte Spannungsabfall ist gegenüber den bekannten Ausführungen nach Fig. 1 und 2 praktisch halbiert worden. Der Span­ nungsabfall der Anordnung gemäß Fig. 1 beträgt mindestens:

IP × R 3 + UBE 1 + UBE 3 + UCEsat 2 + UBE 4 = 3 × UBE + UCEsat + IB × R 3

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 beträgt der Spannungsabfall mindesten

UBE 3 + UCEsat 1 + UBE 4 + UCEsat 2 = 2 × UBE + 2 × UCEsat

Der Spannungsabfall bei der Ausführung nach der Fig. 3 beträgt jetzt mindestens:

UBE 3 + UCEsat 1 + UBEsat 2 = UBE + 2 × UCEsat

Dies bedeutet gegenüber der Ausführung nach Fig. 2, wie man aus der Gleichung leicht entnehmen kann, nahezu eine Halbierung.

Eine weitere Variante zeigt die Fig. 4. Die Schalttran­ sistoren T 1 und T 2, die in der Ausführungsform nach Fig. 3 als PNP-Transistoren ausgebildet sind (ebenso wie die Steuertransistoren T 3 und T 4) sind nunmehr als hochohmig steuerbare MOS-Leistungshalbleiter ausgebildet. Dadurch ist es möglich, anstatt der Dioden 10 und 11 bzw. 12 und 13 je einen Widerstand R 7 und R 8 an die Basis der beiden Schalttransistoren T 1 und T 2 anzuschließen. Durch die Verwendung derartiger Leistungshalbleiter können die beiden Widerstände R 3 und R 4 sehr hochohmig ausgebildet werden (z. B. 10 MOhm), so daß der Fehlstrom nach Masse bzw. zur Rückleitung R fast vernachlässigbar ist. Zusätzlich ergibt sich durch den hohen Wert von R 3 und R 4 eine sehr gute Regelverstärkung. Der Gesamtspannungs­ abfall mit einer Schaltung mit einem Kurzschlußstrom von 23,2 mA nach Fig. 4 beträgt bspw. nur 0,5 Volt bei 22 mA. Die Schaltungsanordnung ist wegen der Schwellspan­ nung MOS-Leistungstransistoren T 1 und T 2 allerdings erst ab ca. 5 Volt betriebsbereit.

Während die Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 3 und 4 einen Fehlstrom zur Rückleitung bzw. nach Masse besit­ zen, arbeitet die Schaltungsanordnung nach Fig. 5 ohne einen derartigen Fehlstrom nach Masse. Der Schalttran­ sistor T 1 ist ein PNP-Transistor, wobei sein Kollektor mit dem Kollektor des zweiten Schalttransistors T 2 verbunden ist. Letzterer ist ein NPN-Transistor. Der Emitter dieses Transistors ist über den Widerstand R 1 mit der Ausgangsleitung H (Hinleitung) verbunden. Der Widerstand R 1 ist nunmehr gemeinsamer Widerstand für die beiden Steuertransistoren T 3 und T 4 und zwar in folgen­ der Zusammenschaltung:

Das dem Emitter des Transistors T 2 benachbarte Ende ist mit dem Emitter des Steuertransistors T 3 und mit der Basis des Steuertransistors T 4 verbunden, wobei an der Basis des Transistors T 4 ein weiterer Widerstand R 10 angeschlossen ist.

Die Basis des Transistors T 3 ist über einen Widerstand R 11 und zwei Dioden 14 und 15 zusammen mit dem Emitter des anderen Transistors T 4 an das andere Ende des Widerstandes R 1 geschaltet. Zwischen dem Widerstand R 11 und der Diode R 14 ist ein Ende des Widerstandes R 5 geschaltet, dessen anderes Ende am Emitter des Tran­ sistors T 1 angeschlossen ist. Am Emitter des Transistors T 1 ist ferner ein Ende des Widerstandes R 4 angeschlos­ sen, dessen anderes Ende sowohl mit der Basis des Transistors T 2 als auch mit dem Kollektor des Tran­ sistors T 4 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors T 3 ist über den Widerstand R 3 mit der Basis des Tran­ sistors T 1 verbunden. Eine Verbindungsleitung hin zur Masse ist in der Schaltungsanordnung nicht erforderlich. Damit bilden die Transistoren T 2 und T 4 sowie die Widerstände R 1 und R 4 eine Stromquelle, die ähnlich derjenigen ist, wie in Fig. 1 dargestellt. Der Tran­ sistor T 3 ist über den Transistor R 5 solange leitend, bis UBE 3 = 2 × UD - UR 1 ist. Für eine Spannung UD = UBE beginnt der Transistor T 3 bei ca. UR 1 = 0,6 Volt zu sperren. Der Transistor T 1 wird über den Widerstand R 3 und den leitenden Transistor T 3 angesteuert und bei steigendem Strom durch den Widerstand R 1 sperrt der Transistor T 2 und damit auch der Transistor T 1. Der Mindestspannungsabfall beträgt:

UBE 1 + IB × R 3 + UCEsat 3 + UBE 4 = 2 × UBE + IB × R 3 + UCEsat

In der Fig. 6 ist eine Weiterentwicklung der Ausgestal­ tung gemäß Fig. 5 dargestellt. Die beiden Schalttran­ sistoren T 1 und T 2 sind PNP-Transistoren; der Kollektor des Transistors T 2 ist mit einem Ende des Widerstandes R 1 verbunden, wobei zwischen dem Kollektor des Tran­ sistors T 2 und diesem Ende des Widerstandes R 1 die Basis zweier Steuertransistoren T 5 und T 6 unter Zwischenfügung von Widerständen R 7 und R 8 angeschlossen sind. Die Emitter der beiden Transistoren T 5 und T 6 sind mit dem anderen Ende des Widerstandes R 1 verbunden. Die beiden Kollektoren der Transistoren T 5 und T 6 sind mit der Basis der beiden Steuertransistoren T 3 und T 4 verbunden; zwischen dem Anschlußpunkt des Kollektors der Tran­ sistoren T 6 und T 5 und der Basis der Transistoren T 4 und T 3 ist ein Ende des Widerstandes R 6 bzw. R 5 geschaltet, deren anderes Ende mit dem Emitter des Transistors T 1 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors T 1 ist mit dem Emitter des Transistors T 2 verbunden. Die Kollekto­ ren der Transistoren T 3 und T 4 sind jeweils über die Widerstände R 3 und R 4 mit der Basis der Transistoren T 1 und T 2 verbunden. Auch hier besteht eine Verbindung zwischen der Schaltungsanordnung und der Masseleitung bzw. Rückleitung R nicht, so daß ein Fehlstrom nicht auftritt. Der Vorteil dieser Schaltungsanordnung gegen­ über demjenigen gemäß Fig. 5 liegt in der Ausnutzung des Spannungsabfalls an dem Widerstand R 1 zur Ansteuerung der beiden Transistoren T 1 und T 2, so daß beide Tran­ sistoren in Sättigung gehen können. Der minimale Span­ nungsabfall bei dieser Schaltungsanordnung beträgt

UCEsat 1 + UCEsat 2 + UBE 5 = 2 × UCEsat + UBE

Bei allen diesen Schaltungsanordnungen wird der geringe Spannungsabfall erzielt durch die Verwendung des Span­ nungsabfalles an einem einzigen Widerstand für beide Strombegrenzerschaltungen und durch die sicherheitstech­ nische Verhinderung von nicht geregelten Strömen auch im Fehlerfall vom nicht eigensicheren Eingang zum eigensicheren Ausgang durch zwei in Reihe geschalteten Dioden in Sperrichtung oder durch Serienwiderstände und darüber hinaus durch die Verwendung von hochohmig steuerbaren Halbleitern.

Die polare Transistoren, wie sie bei den Ausführungen gemäß Fig. 1 bis 6 dargestellt sind, haben einen hohen Ausgangswiderstand. Dadurch sind sie prinzipiell als Stromquellen ohne regelnde Zusatzschaltungen verwendbar. Eine Ausnutzung für Sicherheitsbarrieren wird jedoch durch zwei Probleme erschwert: je höher der Strom wird, um so niedriger wird der Innenwiderstand und darüber hinaus muß die Basis mit Konstantstrom versorgt werden, der so zu steuern ist, daß die Temperaturabhängigkeit etwa kompensiert ist.

MOS-Transistoren haben den Vorteil, daß sie selbst bei hohen Strömen sehr gute Stromquellen sind und vor allen Dingen hochohmig spannungsgesteuert werden können. Insoweit sind, wie anhand der Fig. 4 dargestellt ist, MOS-Leistungshalbleiter bzw. Leistungstransistoren sehr gut verwendbar, wobei allerdings bei letzteren eine bestimmte Mindestspannung vorhanden sein muß. Der Gesamtspannungsabfall dieser erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnungen liegt in etwa bei 0,5 Volt.

Ein Fühlwiderstand für die Regelung wird nicht mehr benötigt, wenn die Stromquelleneigenschaft des Bauteils selbst ausgenutzt wird. Beispielhaft wird hierzu die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 7 beschrieben. In die Hinleitung H ist ein solcher MOS-Leistungshalbleiter T 1 (Bezeichnung BSS 97) geschaltet, dessen Basis mit einem Widerstand R 15 (Spannungsteilerschaltung) verbunden ist. Zwischen der Hin- und Rückleitung R liegen eine Zener­ diode 16 und in Reihe damit ein hochohmiger Widerstand R 16. Der Widerstand R 15 ist einerseits vor dem Tran­ sistor T 1 an die Hinleitung H und andererseits an den Verbindungspunkt Zenerdiode 16 Widerstand R 16 angeschlossen. Hierbei wird die Stromquelleneigenschaft des Transistors T 1 ausgenutzt, und bis einem Wert von 80% des Kurzschlußstromes tritt nur noch ein Spannungs­ abfall von 0,17 V auf.

Claims (4)

1. Eigensichere Sicherheitsbarriere mit einer Rei­ henschaltung zweier Schalttransistoren (T 1, T 2), die jeweils von einem Steuertransistor (T 3, T 4) angesteuert werden, dessen Basis-Emitterkreis mit einem Fühlwider­ stand in der Reihenschaltung verbunden ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß lediglich ein Fühlwiderstand (R 1) vor­ gesehen ist, der den Basis-Emitterkreisen beider Steuer­ transistoren (T 3, T 4) gemeinsam ist.

2. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitteranschluß beider Steuer­ transistoren (T 3, T 4) gemeinsam mit einem Ende des Fühl­ widerstandes (R 1) und die Basis beider Steuertran­ sitoren (T 3, T 4) direkt oder über einen Widerstand gemeinsam mit dem anderen Ende des Fühlwiderstandes (R 1) verbunden sind.

3. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren beider Steuertran­ sistoren (T 5, T 6; Fig. 6) jeweils an die Basis je eines weiteren Steuertransistors (T 3, T 4; Fig. 6) angeschlos­ sen sind, die die Schalttransistoren ansteuern.

4. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des einen Steuertran­ sistors (T 3) gemeinsam mit der Basis des anderen Steuer­ transistors (T 4) mit einem Ende und der Emitter des an­ deren Steuertransistors (T 4) gemeinsam mit der Basis des einen Steuertransistors (T 3) mit dem anderen Ende des Fühlwiderstandes (R 1) verbunden sind.