DE4121634A1 - Netzgeraet fuer eigensichere stromkreise - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Netzgerät für eigensichere Stromkreise gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Elektrische Verbraucher, die in Umgebungen eingesetzt wer­ den, wo zündfähige Gas-/Luftgemische vorhanden sind bzw. entstehen können, hat man bislang vornehmlich in der Zünd­ schutzart "Eigensicherheit" Kategorie "ia" verwirklicht. Dies hat zur Folge, daß in dem jeweiligen eigensicheren Stromkreis sowohl die Stromstärke als auch die Spannung auf bestimmte Höchstwerte begrenzt werden müssen. Umgebungen der vorgenannten Art sind beispielsweise die chemische Indu­ strie sowie der untertägige Bergbau.

Zur Sicherstellung der vorerwähnten Bedingungen hat man bei einem bekannten Netzgerät für eigensichere Stromkreise der Kategorie "ia" zwischen den Gleichrichter und die Anschlüsse für den Verbraucher einen Ohm′schen Widerstand eingegliedert (Glückauf-Betriebsbücher, Band 33 "Der Schlagwetter- und Explosionsschutz elektrischer Betriebsmittel", S. 35, Bild 20, linke Darstellung). Dieser Widerstand sorgt automatisch für eine Spannungsabsenkung, wenn aufgrund einer höheren Leistungsaufnahme des Verbrauchers bei einer maximal zu­ lässigen Spannung von 12 Volt die Stromstärke wächst. Die Spannungsabsenkung beginnt bei etwa 1,3 Ampere und geht bis zu Null Volt bei etwa 2,5 Ampere.

Berücksichtigt man diesen Sachverhalt und ferner die Tat­ sachen, daß bei Stromstärken über etwa 0,5 Ampere die Er­ wärmung des Ohm′schen Widerstands umfangreiche Kühlmaßnahmen und/oder Kapselungen zur Sicherstellung der Eigensicherheit des gesamten Stromkreises notwendig sind, findet sich auch die Erklärung dafür, daß in der Praxis bislang keine eigen­ sicheren Stromkreise der Kategorie "ia" für elektrische Verbraucher ausgelegt worden sind, deren Leistungsaufnahme mehr als etwa 0,5 Ampere bei 12 Volt Spannung beträgt. Der Anwendungsbereich solcher eigensicherer Stromkreise ist dadurch eingeschränkt.

Beim Stand der Technik der DE-OS 31 50 398 handelt es sich um ein Netzgerät für eigensichere Stromkreise, bei dem in den Regelkreis zwischen den Anschlüssen für die Versorgungs­ spannung und den Anschlüssen für den Verbraucher in Reihe ein Transformator und ein Gleichrichter eingegliedert sind, indessen ist kein Ohm′scher Widerstand vorgesehen. Vielmehr ist zwischen einem Kurzschließer und dem Verbraucheranschluß im Umfang eines Strombegrenzungsreglers ein Bauteil vorhan­ den, der mit Hilfe einer bestimmten Elektronikschaltung eine Strombegrenzung vornimmt. Es ist also nicht möglich, die Eigensicherheit Kategorie "ia" zu verwirklichen, weil der Bauteil halbleitende Elemente umfaßt, die in der Elektro­ technik im Gegensatz zu einem Ohm′schen Widerstand nicht als ausfallsicher gelten. Dies ist auch der Grund dafür, daß das bekannte Netzgerät ausschließlich für die Eigensicherheit Kategorie "ib" eingesetzt werden kann.

Die DE-OS 27 24 176 offenbart zwar ein Netzgerät mit sämt­ lichen gattungsprägenden Merkmalen. Der Ohm′sche Widerstand hat jedoch (hier in zweifacher Ausfertigung) die Aufgabe, den Strom zu messen. Der gemessene Strom begründet dann den Ist-Wert für den zwischen den beiden Ohm′schen Wider­ ständen angeordneten Transistor als Strombegrenzungsschal­ ter. Da der Transistor bekanntermaßen lediglich ein halblei­ tendes Bauelement ist, kann mithin wegen der mangelnden Ausfallsicherheit mit diesem Netzgerät auch nur die Eigen­ sicherheit Kategorie "ib" verwirklicht werden.

Die DE-OS 36 15 168 offenbart ebenfalls ein gattungsgemäßes Netzgerät. Hierbei dient der Ohm′sche Widerstand aber nur der Messung des Stroms. Er ist demzufolge nicht geeignet, bei Ausfall des Regelkreises alleine eine Strombegrenzung vorzunehmen. Demzufolge ist dieses bekannte Netzgerät nur für die Eigensicherheit Kategorie "ib" geeignet.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, das im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebene Netzgerät dahingehend weiter auszugestalten, daß auch solche elektrischen Verbrau­ cher angeschlossen werden können, deren Leistungsaufnahme bei einer Spannung von 12 Volt erheblich über die Strom­ stärke von 0,5 Ampere hinausgehen kann.

Die Lösung dieses Problems wird gemäß der Erfindung in den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmalen gesehen.

Durch die Integration von in einer speziellen Weise einander relativ zugeordneten Regelverstärkern in den Regelkreis mit einer Anbindung über Schutzwiderstände an die Leitungen vor und hinter dem Ohm′schen Widerstand sowie über Entkopp­ lungsdioden und einen Optokoppler an einen Pulsweitenmodula­ tor, der seinerseits an den Transformator sowie an einen Anschluß für die Versorgungsspannung angeschlossen ist, kann nunmehr sichergestellt werden, daß die Verlustarbeit im Ohm′schen Widerstand minimiert wird und gegenüber der bisher verwendeten Technik höhere Ströme im eigensicheren Strom­ kreis "ia" technisch und wirtschaftlich möglich werden. Insbesondere kann jetzt bei kleiner wirtschaftlicher Bauform eines Netzgeräts für die jeweilige Ausgangespannung der maximal mögliche Strom der Verbraucher so geregelt werden, daß die systemgebundenen Werte von Strom und Spannung nicht überschritten werden, bei denen im Fehlerfall eine Zündung zündfähiger Gas-/Luftgemische auftreten kann.

Stellt der Regelkreis fest, daß die Differenz der Spannung vor dem Ohm′schen Widerstand zu der Spannung hinter dem Ohm′schen Widerstand bei einer maximalen Spannung von etwa 15 Volt in der Leitung zwischen dem Ohm′schen Widerstand und dem Verbraucher unzulässig ansteigt, so sorgt der Regelkreis selbständig dafür, daß über den Transformator automatisch eine Absenkung der Spannung in der Leitung zwischen dem Gleichrichter und dem Ohm′schen Widerstand bzw. eine Limi­ tierung der maximal zulässigen Differenz der Spannung vor dem Ohm′schen Widerstand zu der Spannung hinter dem Ohm′schen Widerstand erfolgt. Durch diese Limitierung wird sicherge­ stellt, daß die Verlustleistung des Ohm′schen Widerstands begrenzt wird und keine Erwärmung eintreten kann, die eine zusätzliche Kühlung oder andere Maßnahmen zur Abfuhr der Wärme erforderlich machen.

Die Eingliederung des Pulsweitenmodulators ist mit dem Vor­ teil verbunden, daß Spannungsschwankungen im Stromkreis selbständig ausgeglichen werden und sich nicht auf die Aus­ gangsspannung des Netzgeräts auswirken können.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht in den Merkmalen des Patentanspruchs 2. Diese Maßnahme erlangt dann Bedeutung, wenn der Pulsweitenmodulator ausfallen und die ihm zugedachte Ausgleichsfunktion bei Spannungsschwankungen nicht mehr wahrnehmen kann. Um also auch in einer solchen Betriebssituation eine unzulässige Erwärmung des Ohm′schen Widerstands zu vermeiden, ist ein spannungsgesteuerter Thy­ ristor in einem Ableiterkreis an die Leitung zwischen dem Gleichrichter und dem Ohm′schen Widerstand angeschlossen.

Würde sich durch den Ausfall des Pulsweitenmodulators die Spannung in der Leitung zwischen dem Gleichrichter und dem Ohm′schen Widerstand unzulässig erhöhen, und zwar im Sinne einer Erhöhung der Differenz der Spannung vor und hinter dem Ohm′schen Widerstand, so sorgt der spannungsgesteuerte Thy­ ristor dafür, daß die Spannung in der Leitung zwischen dem Gleichrichter und dem Ohm′schen Widerstand bzw. die Differenz der Spannung vor und hinter dem Ohm′schen Widerstand gesenkt wird, so daß eine unzulässige Leistungsaufnahme des Ohm′schen Widerstands ausgeschlossen ist.

Es ist bei dem Stand der Technik der DE-OS 31 50 398 zwi­ schen dem Gleichrichter und dem Strombegrenzungsregler zwar auch ein Thyristor vorgesehen, dort nimmt der Kurzschließer indessen sowohl die Aufgabe des Kurzschlusses als auch die der Spannungsüberwachung wahr. Er hat also gezielt die Auf­ gabe, den Schutz des äußeren Stromkreises zu sichern und dient nicht zum Schutz des Strombegrenzungsreglers.

Im Falle der DE-OS 27 24 176 ist der Thyristor mit der Lei­ tung zwischen dem zweiten Ohm′schen Widerstand und dem An­ schluß für den Verbraucher verbunden. Aufgrund dieses Sach­ verhalts kann der Thyristor nur den Schutz des äußeren Ver­ braucherstromkreises gegenüber Spannung übernehmen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In der Zeichnung ist mit 1 schematisch ein Netzgerät für einen eigensicheren Stromkreis in der Kategorie "ia" be­ zeichnet. Die Anschlüsse für die Versorgungsspannung tragen die Bezugszeichen 2 und 3, während die Anschlüsse für den Verbraucher mit 4 und 5 bezeichnet sind. Bei dem nicht näher dargestellten Verbraucher kann es sich beispielsweise um Sensoren und/oder Aktoren handeln, die im untertägigen Gru­ benbetrieb oder in der chemischen Industrie eingesetzt wer­ den. Derartige Verbraucher haben eine Leistungsaufnahme in einer Größenordnung von etwa 15 Watt.

Der Regelkreis 6 des Netzgeräts 1 umfaßt zwischen dem Anschluß 2 der Versorgungsspannung und dem Anschluß 4 des Verbrauchers in Reihe einen Transformator 7 zur galvanischen Entkopplung der Stromkreise, einen Gleichrichter 8 sowie einem Ohm′schen Widerstand 9 und als Stellglied einen Pulsweitenmodulator 26.

Zwischen dem Anschluß 2 der Versorgungsspannung und dem Transformator 7 ist eine Schmelzsicherung 10 in die Leitung 11 eingegliedert.

Des weiteren ist zu erkennen, daß an die Leitung 12 zwischen dem Gleichrichter 8 und dem Ohm′schen Widerstand 9 ein Regel­ verstärker 13 als Komparator über einen Schutzwiderstand 14 angeschlossen ist. Der Ausgang 15 des Regelverstärkers 13 ist über eine Entkopplungsdiode 16 an einen Optokoppler 17 angeschlossen. Die Entkopplungsdiode 16 liegt in einer Leitung 18.

Ein weiterer als Komparator wirkender Regelverstärker 19 ist über einen Schutzwiderstand 20 an die Leitung 21 zwischen dem Ohm′schen Widerstand 9 und dem Anschluß 4 des Verbrau­ chers angeschlossen. Auch der Ausgang 22 dieses Regelver­ stärkers 19 ist über eine Entkopplungsdiode 23 mit dem Opto­ koppler 17 verbunden. Die Entkopplungsdiode 23 liegt in einer Leitung 24, in welche auch die Leitung 18 mündet.

Die an den Regelverstärkern 13 und 19 anliegenden Spannungen werden einem weiteren Regelverstärker 25 zugeführt, der die Differenz der Spannungen in der Leitung 12 zwischen dem Gleichrichter 8 und dem Ohm′schen Widerstand 9 einerseits und in der Leitung 21 zwischen dem Ohm′schen Widerstand 9 und dem Anschluß 4 für den Verbraucher andererseits limi­ tiert. Zu diesem Zweck ist der Regelverstärker 25 über eine Leitung 26 mit dem Eingang 27 des Regelverstärkers 13 und über eine Leitung 28 mit dem Eingang 29 des Regelverstär­ kers 19 verbunden. Der Ausgang 30 des Regelverstärkers 25 wirkt über eine Entkopplungsdiode 31 ebenfalls auf den Re­ gelkreis 6. Die Entkopplungsdiode 31 liegt in einer Leitung 38 zwischen dem Ausgang 30 und dem Optokoppler 17.

Der Optokoppler 17 steht andererseits zur Rückkopplung über eine Leitung 32 mit dem Pulsweitenmodulator 33 in Verbindung. Dieser ist einmal über eine Leitung 34 an den Transformator 7 und zum anderen über eine Leitung 35 an den Anschluß 3 der Versorgungsspannung gekuppelt.

Des weiteren ist noch zu erkennen, daß an die Leitung 12 zwischen dem Gleichrichter 8 und dem Ohm′schen Widerstand 9 ein spannungsgesteuerter Thyristor 36 in einem Ableiter­ kreis 37 angeschlossen ist.

Durch die Eingliederung der Regelverstärker 13, 19, 25 in den Regelkreis 6 und ihre spezielle relative Zuordnung wird die Differenz der Spannung in der Leitung 12 zwischen dem Gleichrichter 8 und dem Ohm′schen Widerstand 9 zu der Span­ nung in der Leitung 21 zwischen dem Ohm′schen Widerstand 9 und dem Verbraucheranschluß 4 so geregelt, daß bei maximal 15 Volt für die Spannung in der Leitung 21 zwischen dem Ohm′schen Widerstand 9 und dem Verbraucheranschluß 4 die Spannung zwischen dem Gleichrichter 8 und dem Ohm′schen Widerstand 9 nicht größer als maximal auf etwa 28 Volt an­ wachsen kann. Durch die Differenz von 15 Volt zu 28 Volt wird sichergestellt, daß die Verlustleistung des Ohm′schen Widerstands 9 limitiert wird und somit keine Erwärmung des Ohm′schen Widerstands 9 eintreten kann, die eine zusätzliche Kühlung oder andere Maßnahmen, beispielsweise aufwendige Kapselungen zur Abfuhr der Wärme erforderlich machen.

Im einzelnen läuft die Regelung wie folgt ab:

In den Lastfällen zwischen Leerlauf und Nennstrom im äußeren Verbraucherstromkreis übernehmen die Regelverstärker 13 und 19 die Aufgabe, an den Ausgängen 4 und 5 die Spannung kon­ stant zu halten. Tritt aber durch gleich welche Ursache auch immer ein erhöhter Spannungsfall an dem Ohm′schen Widerstand 9 auf, so übernimmt nunmehr der an die Eingänge 27 und 29 der Regelverstärker 13 und 19 angeschlossene Regelverstärker 25 die Aufgabe, die an dem Ohm′schen Widerstand 9 abfallende Spannung konstant zu halten.

Der Pulsweitenmodulator 33 hat außerdem die Aufgabe, Span­ nungsschwankungen im Stromnetz automatisch auszugleichen, damit diese sich nicht auf die Ausgangsspannung am Anschluß 4 auswirken.

Um bei einem Ausfall des Pulsweitenmodulators 33 eine Über­ lastung des Ohm′schen Widerstands 9 sicher zu verhindern, ist der Thyristor 36 in dem Ableiterkreis 37 an die Leitung 12 zwischen dem Gleichrichter 8 und dem Ohm′schen Widerstand 9 angeschlossen.

Erhöht sich beispielsweise durch den Ausfall des Pulsweiten­ modulators 33 die Spannung zwischen dem Gleichrichter 8 und dem Ohm′schen Widerstand 9 unzulässig im Sinne einer Erhöhung der Differenz der Spannung vor dem Ohm′schen Wider­ stand 9 zu der Spannung hinter dem Ohm′schen Widerstand 9, so sorgt der Thyristor 36 dafür, daß die Spannung vor dem Ohm′schen Widerstand 9 kurzgeschlossen wird und im Sinne einer Vermeidung einer unzulässigen Leistungsaufnahme des Ohm′schen Widerstands 9 die Schmelzsicherung 10 auslöst.

Claims (2)

1. Netzgerät für eigensichere Stromkreise der Kategorie "ia", bei dem in den Regelkreis (6) zwischen den Anschlüssen (2, 3) für die Versorgungsspannung und den Anschlüssen (4, 5) für den Verbraucher in Reihe ein Transformator (7), ein Gleichrichter (8) und ein Ohm′scher Widerstand (9) einge­ gliedert sind, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl an die Leitung (12) zwischen dem Gleichrichter (8) und dem Ohm′schen Widerstand (9) als auch an die Leitung (21) zwischen dem Ohm′schen Widerstand (9) und einem Anschluß (4) für den Verbraucher je ein Regelverstärker als Kompara­ tor (13; 19) über einen Schutzwiderstand (14; 20) angeschlos­ sen ist, deren Eingänge (27; 29) mit einem weiteren Regel­ verstärker (25) als Differenzbildner verbunden sind, wobei die Ausgänge (15; 22; 30) der Regelverstärker (13; 19; 25) über Entkopplungsdioden (16; 23; 31) sowie einen Optokoppler (17) mit einem Pulsweitenmodulator (33) verbunden sind, der seinerseits als Stellglied an den Transformator (7) sowie an einen Anschluß (3) für die Versorgungsspannung angeschlossen ist.

2. Netzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an die Leitung (12) zwischen dem Gleichrichter (8) und dem Ohm′schen Widerstand (9) ein spannungsgesteuerter Thyristor (36) als Überspannungsablei­ ter angeschlossen ist.