JP2005510735A - 相互に並列接続され、かつ磁気コイルに対して並列接続された複数の同じツェナーダイオードの動作正常性を証明する方法 - Google Patents

Abstract

例えばハイドロリック式またはニューマチック式弁を操作するために、爆発の恐れがある環境において磁気コイル（１１）を使用する場合、高い安全性要求が考慮されるべきである。磁気コイル（１１）につながっている電気的線路の破損時に、点火可能なガスを爆発に導く火花が生じないように、複数の同じツェナーダイオード（１２,１３,１４）が相互に、かつ磁気コイルに対して並列に接続される。付加的に回路装置は絶縁質量体によって１つのブロックに射出成形される。このブロックからは２つの接続線路（１７ａ,１８ａ）が突出している。ツェナーダイオードの動作正常性を証明するために別の測定点は使用されない。相互にかつ磁気コイルに対して並列接続されている全ツェナーダイオードの動作正常性を証明するために、ツェナーダイオードおよび磁気コイルの電気的値が組立前に測定される。組立後に回路装置の総容量が測定される。総容量から磁気コイルの容量が減算され、残った値が並列接続されたツェナーダイオードの数によって除算される。この結果は、個々のツェナーダイオードの容量と比較され、これらの値の差の大きさがツェナーダイオードの動作正常性に対する基準として用いられる。

Description

本発明は、相互に並列接続され、かつ磁気コイルに対して並列接続された複数の同じツェナーダイオード（Z-Dioden）の動作正常性を証明する方法に関する。

電気的に操作されるハイドロリック式またはニューマチック式弁は、電気的な入力信号の大きさに相応して、ハイドロリックまたはニューマチックな作動媒体を制御する。電気的な入力信号は磁気コイルに供給される。この磁気コイルは、磁気コイルを介して流れる電流に相応してアンカーを変位させる。この種の弁が、爆発の恐れがある環境で使用される場合、特別な安全規則が適用される。この規則は殊に、磁気コイルへとつながっている線路が破損した場合に、ここで生じる誘導電圧が危険のない値に制限されることを要求する。これによって、点火可能なガスを爆発に導く火花の形成が阻止される。耐爆発性動作手段に対して適用される規則に相応して、ケーブル破損時に生じる誘導電圧を制限するために、２つまたは３つのツェナーダイオードが磁気コイルに対して並列接続される。誘導電圧がその極性に依存しないで制限されるように、例えば２つの反対の方向に直列接続されたツェナーダイオードが用いられる。これに対して択一的に、２つの反対の方向に直列接続された簡易なツェナーダイオードに相応する双方向ツェナーダイオードを使用することもできる。ツェナーダイオードは空間的に、磁気コイルのできるだけ近くに配置される。安全規則に相応して、ツェナーダイオードおよび磁気コイルから構成された並列回路は付加的に、絶縁性質量体によって射出形成される（vergossen）。射出形成された回路は電気的な二端子網を形成する。この二端子網からは２つの接続線路のみが外部に導かれている。従って磁気コイルに並列接続されたツェナーダイオードの動作正常性を検査するのに、二端子網の２つの接続線路しか測定点として用いられない。ツェナーダイオードを回路装置内へはんだ付けした後および射出成形した後に、個々にその動作正常性について検査するのは不可能である。

本発明の課題は、磁気コイルに対して並列に配置され、磁気コイルとともに射出形成されたツェナーダイオードの動作正常性の検査を可能にする方法を提供することである。

上述の課題は、ツェナーダイオードおよび磁気コイルの電気的値を組立前に測定し、組立後に、磁気コイルおよびツェナーダイオードから成る並列回路の総容量を測定し、磁気コイルの容量を総容量から引き、残りの値をツェナーダイオードの数によって割り、計算の結果を、個々のツェナーダイオードの容量と比較し、これらの値の差をツェナーダイオードの動作正常性に対する基準として用いる、ことを特徴とする、相互に並列接続され、かつ磁気コイルに対して並列接続された複数の同じツェナーダイオードの動作正常性を証明する方法によって解決される。本発明の方法は、磁気コイルの電気的値（殊に磁気コイルの寄生容量）を考慮して、射出形成された二端子網の総容量を求めることによって、ツェナーダイオードの容量を突き止めることに基づく。ツェナーダイオードの容量は、障壁層容量と拡散容量から成る。これらの容量のうち、障壁層容量が本発明の方法では主なものである。故障したツェナーダイオードは短絡または中断を有しているので、測定可能な容量を有していない。本発明の方法では、故障時にどのツェナーダイオードが正常に機能しないのかは求められない。しかしこれは必要ないのである。なぜならここでは全てのツェナーダイオードが正常に機能可能か否かが検査されることだけが必要だからである。正しくはんだ付けされなかった、またははんだ付け時か、その後の射出形成時に損傷を受けたことが原因で、ツェナーダイオードのうちの１つが故障時に機能しない場合、回路は使用できない。この場合にはツェナーダイオードのうちのどのツェナーダイオードが機能しないのかは重要でない。

本発明による方法の有利な発展形態は、従属請求項に記載されている。ツェナーダイオードの障壁層の容量は種々異なる方法で評価される。請求項２に記載された方法では、ツェナーダイオードと磁気コイルから構成された二端子網の総容量が測定される。この総容量は、個々のツェナーダイオードの障壁層の容量の合計と磁気コイルの容量から成る。ツェナーダイオードに対して並列に位置する磁気コイルのインダクタンスが測定結果を歪曲しないようにするために、磁気コイルのインダクタンスが事実上もはや容量測定の結果に影響を与えないくらい、測定周波数が高く選択される。測定周波数の値が高い場合には、ツェナーダイオードに対して並列に位置する磁気コイルのインダクタンスの交流電流抵抗は非常に大きいので、２つの接続線路間の接続の中断のように作用する。従ってこのような方法には、１ＭＨｚのオーダの高い測定周波数を有する容量測定装置が必要である。しかしこのような測定装置は非常に高価である。請求項３に記載された方法では、磁気コイルのインダクタンスおよび、磁気コイルと並列接続されたツェナーダイオードとから成る振動回路の共振周波数が測定される。これらの値から、二端子網の総容量が計算され、ここから磁気コイルの容量が引かれる。この結果は、組立前に個々のツェナーダイオードの測定から得られた値と比較される。このような方法は、次の利点を有している。すなわち総容量を求めるのに、ツェナーダイオードの障壁層の直接的な容量測定ほど高い測定周波数を有する測定装置が必要ないという利点である。

本発明の方法を以下で、さらなる細部とともに、図示された２つの電気回路図に基づいてより詳細に説明する。

図１は、１つの磁気コイルと、この磁気コイルに対して並列接続された３つの双方向ツェナーダイオードとから成る、二端子網の形をした電気的回路装置の回路図である。
図２は、図１に示された回路の電気的等価回路図である。
図３は、図１および図２に示された回路装置の共振周波数を求める装置の回路図である。

図１には、二端子網の形をした電気的回路装置１０の回路図が示されている。この回路装置は１つの磁気コイル１１と、この磁気コイル１１に並列接続された３つの双方向ツェナーダイオード１２, １３, １４から成る。これらの電気的構成要素の接続はそれぞれ、２つの導体路１７ないし１８のうちの１つによってはんだ付けされている。この導体路１７および１８には、フレキシブルな電気的接続線路１７ａないし１８ａがはんだ付けされている。これらの接続線路は回路装置１０を、図示されていない制御回路に接続させるために用いられる。この制御回路は、作動中に磁気コイル１１に電流を印加する。接続線路１７ａおよび１８ａのリッツ線には、電気的な絶縁体１７ｉないし１８ｉが備えられている。これらの絶縁体は、参照番号１９および２０によって示された自由端部でのみ離されている。回路装置は、電気的絶縁性プラスチックによって、１つのブロック２２に射出成形されている。このブロックからは絶縁性接続線路１７ａおよび１８ａのみが突出している。双方向ツェナーダイオード１２〜１４は、それぞれ２つの相互に向かい合って接続された簡易な同じツェナーダイオードに相当する電気的構成要素である。しかし個々のツェナーダイオードの接続点は遮断されている。供給された電圧が値的に、対向して接続されたツェナーダイオードのブレークダウン電圧と順方向電圧の合計より高い場合に、双方向ダイオードは自身に生じる電圧をその時々の電流方向に依存せずに次のような値に限定する。すなわちこのツェナーダイオードの制限電圧と、それぞれ他方のツェナーダイオードの順方向電圧からの合計に等しい値に制限する。図１には、双方向ツェナーダイオードの２つのツェナーダイオードが、各双方向ツェナーダイオードの参照番号に付け加えられたアルファベットａまたはｂによって示されている。

図２には、図１に示された回路の電気的な等価回路図が示されている。磁気コイル１１は、容量Ｃ_１１と、インダクタンスＬ_１１並びにオーム抵抗Ｒ_１１から成る直列回路との並列回路として示されている。抵抗Ｒ_１１には、磁気コイル１１の巻線のオーム抵抗がまとめられている。磁気コイル１１の容量成分は、容量Ｃ_１１で考慮される。双方向ツェナーダイオード１２、１３および１４はこの等価回路図において、容量Ｃ_１２, Ｃ_１３ないしＣ_１４を有しているコンデンサとして示されている。容量Ｃ_１２, Ｃ_１３およびＣ_１４はそれぞれ、２つの対向接続されたツェナーダイオード１２ａおよび１２ｂ, １３ａおよび１３ｂ並びに１４ａおよび１４ｂの障壁層容量の直列接続からそれぞれ得られる。上述したように双方向ツェナーダイオード１２〜１４は、二端子網形状の電気的構成要素のことなので、結果として生じる容量Ｃ_１２, Ｃ_１３およびＣ_１４のみが測定技術によって検出される。回路装置１０の総容量はＣ_ｇｅｓによって示される。これはＣ_ｇｅｓ＝Ｃ_１２＋Ｃ_１３＋Ｃ_１４＋Ｃ_１１となる。回路装置１０の電気的値の測定は、接続端子１９と２０を介して行われる。

本発明による方法は、双方向ツェナーダイオード１２〜１４の障壁層容量の評価に基づく。回路装置１０の全容量Ｃ_ｇｅｓは、容量Ｃ_１２とＣ_１３とＣ_１４の合計並びに磁気コイル１１の容量Ｃ_１１から構成されている。双方向ツェナーダイオード１２〜１４の容量Ｃ_１２, Ｃ_１３, Ｃ_１４は基本的にそれぞれ同じであるという前提条件の下で、全ての３つの並列接続された双方向ツェナーダイオード１２〜１４は次の場合に正常に動作する。すなわち、磁気コイル１１の容量Ｃ_１１だけ低下されて回路装置１０の総容量Ｃ_ｇｅｓが、１つの双方向ツェナーダイオードの容量の３倍の値と等しくなる場合である。例えば正しくはんだ付けされなかった、またははんだ付けか射出形成時に損傷を受けたことが原因でツェナーダイオード１２〜１４のうちの１つが正常に機能しない場合、回路装置１０の総容量Ｃ_ｇｅｓは、１つのツェナーダイオードの容量分だけ低下する。２つのツェナーダイオードが正常に機能しない場合、回路装置１０の総容量Ｃ_ｇｅｓは、１つのツェナーダイオードの容量の２倍の値だけ低下する。総容量Ｃ_ｇｅｓを求める際には、容量Ｃ_１１, インダクタンスＬ_１１およびオーム抵抗Ｒ_１１が考慮されるべきである。

以下で、回路装置１０の総容量Ｃ_ｇｅｓを求める２つの方法を示す。両方の場合に、個々の構成要素の電気的値がはんだ付け前に測定される。射出形成された回路装置１０での測定の後続する評価には、はんだ付け前の双方向ツェナーダイオード１２，１３, １４の容量Ｃ_１２, Ｃ_１３, Ｃ_１４並びに磁気コイル１１のインダクタンスＬ_１１, オーム抵抗Ｒ_１１および容量Ｃ_１１が必要である。はんだ付け前の構成要素の電気的値の測定に用いられる交流電圧の振幅および周波数は、射出形成された回路装置の電気的値の測定に用いられるそれと同じに選択される。ツェナーダイオードが測定時に有効でなくなるように、測定電圧の振幅はツェナーダイオードの応答電圧（Ansprechspannung）よりも小さく選択される。

回路装置１０の総容量Ｃ_ｇｅｓを求める第１の形態では、容量測定装置によって測定が行われる。容量測定装置の入力側は、回路装置１０の接続端子１９および２０と接続されている。この場合には１ＭＨｚまたはそれ以上のオーダーの高い測定周波数を有する容量測定装置が必要とされる。これによってインダクタンスＬ_１１が測定結果に与える影響が無視できるくらいに小さくなる。測定周波数が高い場合には、導体路１７および１８に接続されている磁気コイル１１の交流電流抵抗は非常に大きい。従ってインダクタンスＬ_１１は、導体路１７と１８の間の接続の中断のように作用する。このようにして求められた、回路装置１０の総容量Ｃ_ｇｅｓの値から、回路装置１０内への構成要素のはんだ付け前に測定された磁気コイル１１の容量Ｃ_１１が引かれ、この結果は磁気コイルに対して並列接続された双方向ツェナーダイオードの数によって割られ、回路装置１０内への構成要素のはんだ付け前に測定された、双方向ツェナーダイオードの容量と比較される。差が０に等しい、または許容される公差範囲内にある場合には、並列接続された全ツェナーダイオードは正常に機能する。差が大きい場合には、少なくとも１つのツェナーダイオードが正常に機能しない。

高い測定周波数を有する容量測定装置は高価である。例えばコストの理由からこのような容量測定装置が使用できない場合、以下で説明するように総容量Ｃ_ｇｅｓは他の方法でも求められる。本発明による方法のこのような形態では、回路装置１０の全容量Ｃ_ｇｅｓ、抵抗Ｒ_１１およびインダクタンスＬ_１１が振動回路を構成するという考えが用いられる。図３には、ｆ_０で示された振動回路の共振周波数を求めるための回路装置が示されている。周波数発生器２５は、オーム抵抗２６を介して回路装置１０の接続端子１９および２０に接続されている。周波数発生器２５の周波数ｆは、共振周波数ｆ_０を含む周波数領域内で調整可能である。周波数発生器２５の出力電圧および抵抗２６で下降する電圧は、線路２７, ２８および２９を介してオシロスコープ３０の入力側へ供給される。抵抗２６で下降する電圧は、回路装置１０を通って流れる電流に対する尺度である。線路２７のポテンシャルは、基準ポテンシャルとして使用される。線路２８を介して、周波数発生器２５の出力電圧がアルファベットＹが付与された接続端子に、オシロスコープ３０の垂直変位のために供給される。線路２９を介して、抵抗２６で下降する電圧が、アルファベットＸが付与された接続端子に、オシロスコープ３０の水平変位のために供給される。周波数発生器２５の周波数ｆが共振周波数ｆ_０と異なる場合、オシロスコープ３０の入力側ＸおよびＹに供給された電圧間に位相シフトが生じる。ここで周波数発生器２５の周波数ｆは、抵抗２６で下降する電圧が、周波数発生器２５の出力電圧を伴う位相になるまで変化される。このような周波数は共振周波数ｆ_０である。周波数ｆ_０の値、インダクタンスＬ_１１および抵抗Ｒ_１１から、ＲＬＣ振動回路に対して有効な関係に従って回路装置１０の総容量Ｃ_ｇｅｓが計算される。このような値から磁気コイル１１の容量Ｃ_１１が引かれ、この結果は並列接続された双方向ツェナーダイオードの数で割られる。このような計算の結果は、回路装置１０内への構成要素のはんだ付け前に測定された、双方向ツェナーダイオードの容量と比較される。差が０に等しい、または許容される公差範囲内にある場合、並列接続された全てのツェナーダイオードは正常に機能する。差が大きい場合には、少なくとも１つのツェナーダイオードが正常に機能しない。本発明による方法のこのような形態では、１０ｋＨｚのオーダーの測定周波数で充分である。このような測定周波数は、第１の形態で必要な測定周波数より１０^２小さい。

本発明の方法によって基本的に、磁気コイルに並列接続された唯一のツェナーダイオードの動作正常性を検査することができる。しかし実際には安全上の理由から、複数のツェナーダイオードがそれぞれ相互に並列に配置されなければならないので、１つのツェナーダイオードのみが磁気コイルに対して並列接続されている回路の使用は許容されない。

１つの磁気コイルと、この磁気コイルに対して並列接続された３つの双方向ツェナーダイオードとから成る、二端子網の形をした電気的回路装置の回路図である。

図１に示された回路の電気的等価回路図である。

図１および図２に示された回路装置の共振周波数を求める装置の回路図である。

Claims (3)

1. 相互に並列接続され、かつ磁気コイルに対して並列接続された複数の同じツェナーダイオードの動作正常性を証明する方法であって、
   前記ツェナーダイオード（１２, １３, １４）および前記磁気コイル（１１）の電気的値を組立前に測定し、
   組立後に、前記磁気コイル（１１）およびツェナーダイオード（１２, １３, １４）から成る並列回路（１０）の総容量（Ｃ_ｇｅｓ）を測定し、
   前記磁気コイル（１１）の容量（Ｃ_１１）を前記総容量（Ｃ_ｇｅｓ）から引き、
   残りの値を、前記ツェナーダイオード（１２, １３, １４）の数によって割り、
   当該計算の結果を、個々のツェナーダイオード（１２, １３, １４）の容量（Ｃ_１２, Ｃ_１３, Ｃ_１４）と比較し、
   これらの値の差をツェナーダイオードの動作正常性に対する基準として用いる、
   ことを特徴とする、相互に並列接続され、かつ磁気コイルに対して並列接続された複数の同じツェナーダイオードの動作正常性を証明する方法。
2. 前記並列回路（１０）の総容量（Ｃ_ｇｅｓ）を交流電圧によって測定し、
   前記磁気コイル（１１）のインダクタンス（Ｌ１１）が測定結果に与える影響が無視できるくらい小さくなるように、当該交流電圧の周波数を高く選択する、請求項１記載の方法。
3. 前記総容量（Ｃ_ｇｅｓ）を求めるために、前記磁気コイル（１１）とツェナーダイオード（１２, １３, １４）から成る振動回路（１１, １２, １３, １４）の共振周波数（ｆ_０）を測定し、
   共振周波数（ｆ_０）および前記磁気コイル（１１）のインダクタンス（Ｌ_１１）並びにそのオーム抵抗（Ｒ_１１）から総容量（Ｃ_ｇｅｓ）を計算する、請求項１記載の方法。

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