JP2021052509A - エネルギー制限回路および安全保持器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも高速な通信に対応できるエネルギー制限回路を実現することを目的とする。【解決手段】本発明のエネルギー制限回路は、キャパシタンス成分および抵抗成分により、エネルギー制限を行う制限回路と、前記キャパシタンス成分および前記抵抗成分を分離して、前記キャパシタンス成分および前記抵抗成分により生じる遅延特性を低減する分離回路と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、過度な電流および電圧を制限するエネルギー制限回路および該エネルギー制限回路を備えた安全保持器に関する。

例えば、特許文献１には、本質安全防爆用バリアとして、ツェナーダイオードにより電圧を制限し、抵抗により電流を低減するバリア回路が開示されている。

特開昭５５−０３３２９３号公報

ツェナーダイオードおよび抵抗を用いたバリア回路は、単純で省スペースであり、安価な構成を実現することができる。しかし、この様なバリア回路は、ツェナーダイオードおよび抵抗による遅延特性を有する。したがって、高速な通信に対応することが困難である。

そこで、この発明は、従来よりも高速な通信に対応できるエネルギー制限回路を実現することを目的とする。

本発明のエネルギー制限回路は、キャパシタンス成分および抵抗成分により、エネルギー制限を行う制限回路と、前記キャパシタンス成分および前記抵抗成分を分離して、前記キャパシタンス成分および前記抵抗成分により生じる遅延特性を低減する分離回路と、を備える。より具体的には、前記抵抗成分は、前記分離回路よりも入力側に配置され、前記キャパシタンス成分は、前記分離回路よりも出力側に配置されている。キャパシタンス成分は、信号線とグランドとの間に接続されている。

この様に、本発明のエネルギー制限回路は、分離回路によりキャパシタンス成分および抵抗成分を分離して遅延特性を低減するため、より高速な通信に対応することができる。

なお、エネルギー制限回路は、前記制限回路に接続される信号処理器を備え、前記信号処理器のうち前記制限回路が接続される側と反対側に接続され、エネルギー制限を行なう制限素子と、を備えていてもよい。

この場合、制限回路における抵抗成分の抵抗値を下げることができる。したがって、さらに遅延特性が低減される。

また、エネルギー制限回路は、前記分離回路に電源を供給する電源回路と、前記電源回路の入力側に配置される第２の制限回路と、を備えていてもよい。

すなわち、分離回路に電源回路を接続する場合、この電源回路についてもエネルギー制限を行なうことが好ましい。

なお、前記分離回路および前記電源回路を複数備える場合には、前記第２の制限回路と複数の前記電源回路との間に逆流防止回路を備えることで、電源回路間の電流の回り込みを制限することが好ましい。

また、分離回路は、具体的には、バッファであり、キャパシタンス成分は、ツェナーダイオードである。ツェナーダイオードは、過電圧が生じた場合に、この過電圧をグランドに放電することで電圧制限を行なう。

ただし、分離回路は、バッファに限らず、例えばインバータ２個を直列に接続した回路、コンパレータを用いたドライブ回路、またはＦＥＴを用いたドライブ回路等であってもよい。

なお、エネルギー制限回路は、安全保持器（本安関連機器）を構成してもよい。

この発明によれば、従来よりも高速な通信に対応できるエネルギー制限回路を実現することができる。

本質安全防爆システムの構成を示すブロック図である。 バリア１の主要構成を示すブロック図である。 制限回路１３の構成を示す回路図である。 第２制限回路１３０Ｂに接続される電源構成を示す回路図である。 複数の第２制限回路１３０Ｂに接続される電源構成を示す回路図である。 変形例１に係る第２制限回路１３０Ｂの回路図である。 変形例２に係る第２制限回路１３０Ｂの回路図である。 変形例３に係るバリア１の一部ブロック図である。 変形例４に係る第１制限回路１３０Ａの回路図である。

図１は、本質安全防爆システムの構成を示すブロック図である。本質安全防爆システムは、バリア１、通信機器２、および通信機器３を備えている。バリア１は、安全保持器の一例である。バリア１および通信機器２は、非危険場所に設置され、通信機器３は、可燃性ガス等の雰囲気下である危険場所に設置される。本実施形態では、一例として、通信機器３は、本質安全防爆構造に対応した本安機器である。バリア１は、危険場所側に対する電流および電圧等の電気的エネルギーを制限することで、危険場所において可燃性ガスに対する点火を防止するための本安関連機器（安全保持器）である。ただし、本発明のエネルギー制限回路および安全保持器は、本質安全防爆構造の通信機器に限らず、他の機器にも適用することができる。

図２は、バリア１の主要構成を示すブロック図である。バリア１は、コネクタ１１、変換回路１２、制限回路１３、変換回路１４、コネクタ１５、ＣＲローパスフィルタ５０、および発振器９０を備えている。

コネクタ１１およびコネクタ１５は、例えばイーサネット（登録商標）規格の通信用インタフェースである。本実施形態のコネクタ１１およびコネクタ１５は、１００ＢＡＳＥ−ＴＸ（１００Ｍｂｐｓ）の通信規格に対応する。

変換回路１２は、コネクタ１１から受信したシリアル信号をパラレル信号に変換し、制限回路１３に出力する。これにより、変換回路１２は、シリアル／パラレル変換回路として機能する。また、変換回路１２は、制限回路１３から受信したパラレル信号をシリアル信号に変換し、コネクタ１１に出力する。これにより、変換回路１２は、パラレル／シリアル変換回路としても機能する。

変換回路１４は、コネクタ１５から受信したシリアル信号をパラレル信号に変換し、制限回路１３に出力する。これにより、変換回路１４も、シリアル／パラレル変換回路として機能する。また、変換回路１４は、制限回路１３から受信したパラレル信号をシリアル信号に変換し、コネクタ１５に出力する。これにより、変換回路１４も、パラレル／シリアル変換回路として機能する。

発振器９０は、変換回路１２および変換回路１４にクロック信号を出力する。この例では、発振器９０は、変換回路１２に第１クロック信号を出力し、変換回路１４に第２クロック信号を出力する。第１クロック信号は、ＣＲローパスフィルタ５０を介して変換回路１２に出力される。第２クロック信号は、制限回路１３を介して変換回路１４に出力される。

図３は、制限回路１３の構成を示す回路図（一部はブロック図）である。制限回路１３は、本発明のエネルギー制限回路に対応する。制限回路１３は、第１制限回路１３０Ａ、第２制限回路１３０Ｂ、および第３制限回路１３０Ｃを備えている。

第１制限回路１３０Ａは、変換回路１２から変換回路１４に送信されるパラレル信号の各信号線に挿入される。第２制限回路１３０Ｂは、変換回路１４から変換回路１２に送信されるパラレル信号の各信号線に挿入される。第３制限回路１３０Ｃは、発振器９０から変換回路１４に送信される第２クロック信号の信号線に挿入される。

第１制限回路１３０Ａおよび第２制限回路１３０Ｂは、変換回路１２および変換回路１４の間を送受信するパラレル信号の信号線のそれぞれに接続され、エネルギー制限を行なう。変換回路１４はコネクタ１５を経由して、危険場所に設置される通信機器３に接続される。

第１制限回路１３０Ａは、ヒューズ１３１、定電圧回路１３２、および抵抗１３３を備えている。また、第３制限回路１３０Ｃも、ヒューズ１３１、定電圧回路１３２、および抵抗１３３を備えている。第２制限回路１３０Ｂは、ヒューズ１３１、定電圧回路１３２、および抵抗１３３に加えて、バッファ７０を備えている。

ヒューズ１３１は、過電流が流れようとしたときに切断し、定電圧回路１３２を保護する。定電圧回路１３２は、複数のツェナーダイオードにより構成される。定電圧回路１３２は、過電圧が生じた場合に、この過電圧をグランドに放電することで、信号線に印加される電圧を基準値以下に制限する。本実施形態では、定電圧回路１３２におけるツェナーダイオードの並列数は２つであり、本質安全防爆構造におけるカテゴリーｉｂに対応する。ツェナーダイオードの並列数は３以上であってもよい。並列数が３であれば、カテゴリーｉａに対応する。また、定電圧回路１３２におけるツェナーダイオードの直列数は、本実施形態では、３つであり、定電圧回路１３２は、合計で６つのツェナーダイオードを含む。ただし、ツェナーダイオードの数は、この例に限らない。ツェナーダイオードの数は、目的とする電圧制限の値と遅延特性とに応じて適宜調整される。

抵抗１３３は、電流を制限する回路の一例である。制限回路１３は、抵抗１３３により基準値以下に電流を制限する。

ヒューズ１３１は、所定の抵抗成分を有する。定電圧回路１３２は、所定のキャパシタンス成分を有する。したがって、第１制限回路１３０Ａおよび第３制限回路１３０Ｃは、変換回路１４に送信する信号に対して、それぞれヒューズ１３１および定電圧回路１３２によるローパスフィルタ特性を有する。

通信機器２および通信機器３は、例えば、イーサネット（登録商標）規格の１００ＢＡＳＥ−ＴＸ（１００Ｍｂｐｓ）の通信規格に対応する。したがって、通信機器２および通信機器３で送受信されるシリアル信号は、１００Ｍｂｐｓの通信速度を有する。通信速度が速くなり、周波数が高くなるほど上記ローパスフィルタ特性による遅延の影響が大きくなり、データの欠落が生じ通信異常が発生する。本実施形態のバリア１は、変換回路１２および変換回路１４により、シリアル信号を複数のパラレル信号に変換して、複数のパラレル信号のそれぞれに対してエネルギー制限を行なうことで、高速の通信速度に対応する。

一例として、変換回路１２および変換回路１４は、１００Ｍｂｐｓのシリアル信号を、送受信各４本ずつの２５ＭＨｚのクロックで駆動されるパラレル信号に変換する。この様に、変換回路１２および変換回路１４が１００Ｍｂｐｓのシリアル信号を２５ＭＨｚのクロックで駆動されるパラレル信号に低速化することで、制限回路１３のローパスフィルタ特性による遅延の影響は小さくなる。よって、バリア１は、通信機器２および通信機器３の間の通信速度を下げずにエネルギー制限を行なうことができる。

また、定電圧回路１３２のキャパシタンス成分を小さくすれば、遅延特性は低減される。したがって、バリア１は、定電圧回路１３２を構成する個々のツェナーダイオードにキャパシタンス成分の比較的小さいものを適用することで遅延特性を低減する。また、ツェナーダイオードの直列数を増やすことでも、定電圧回路１３２としてのキャパシタンス成分が小さくなり、遅延特性は低減される。そこで、本実施形態では、ツェナーダイオードの直列数を複数（この例では３つ）として遅延特性を低減している。一方で、ツェナーダイオードの直列数を増やすと、定電圧回路１３２としての制限電圧値が高くなる。制限電圧値が高くなることにより、制限回路１３は、本質安全防爆構造の規格を満たすために、抵抗１３３の抵抗値を大きくして電流値を制限する必要がある。したがって、抵抗１３３の抵抗値は、比較的大きいものとなる。

一例として、本実施形態の第１制限回路１３０Ａでは、ヒューズ１３１の抵抗値は約１０Ωであり、抵抗１３３の抵抗値は約１５０Ωである。これにより、第１制限回路１３０Ａは、高速の通信に対応しながらも、本質安全防爆構造における基準値以下にエネルギー制限を行なう。

一方、第２制限回路１３０Ｂは、変換回路１４から変換回路１２に送信されるパラレル信号の信号線に挿入されている。第２制限回路１３０Ｂは、抵抗１３３および定電圧回路１３２を備える。仮に、抵抗１３３および定電圧回路１３２が直接接続されると、抵抗１３３の抵抗値が大きいため、遅延特性を生じる。抵抗１３３の抵抗値は、ヒューズ１３１の抵抗値よりも非常に大きな抵抗値を持つため、２５ＭＨｚのクロックで駆動される低速化されたパラレル信号であっても遅延特性の影響が大きくなる。

そこで、第２制限回路１３０Ｂは、バッファ７０により、抵抗１３３の抵抗成分および定電圧回路１３２のキャパシタンス成分を分離し、抵抗１３３および定電圧回路１３２により生じる遅延特性を低減する。

したがって、第２制限回路１３０Ｂは、変換回路１４から変換回路１２に送信される信号について、高速の通信に対応しながらも、本質安全防爆構造における基準値以下にエネルギー制限を行なう。

図４は、第２制限回路１３０Ｂに接続される電源構成を示す回路図（一部はブロック図）である。第２制限回路１３０Ｂのバッファ７０には、電源ＩＣ２００が接続される。

電源ＩＣ２００は、バッファ７０に電源を供給してバッファ７０を駆動する。電源ＩＣ２００の入力側には、抵抗２０１、定電圧回路２０２、およびヒューズ２０３により構成される電源用制限回路１３１Ｂ（本発明における第２の制限回路）が接続される。抵抗２０１、定電圧回路２０２、およびヒューズ２０３は、それぞれ抵抗１３３、定電圧回路１３２、およびヒューズ１３１と同じ機能を有する。したがって、電源用制限回路１３１Ｂは、バッファ７０を駆動するための電源線について、本質安全防爆構造における基準値以下にエネルギー制限を行なう。

次に、図５は、複数の第２制限回路１３０Ｂに接続される電源構成を示す回路図（一部はブロック図）である。図５に示す様に、制限回路１３は、複数のバッファ７０のそれぞれに対して接続される複数の電源ＩＣ２００を有する。複数の電源ＩＣ２００の入力側は、電源用制限回路１３１Ｂに接続される。

電源用制限回路１３１Ｂと複数の電源ＩＣ２００との間には、それぞれダイオード２１２が配置されている。ダイオード２１２は、逆流防止回路の一例である。ダイオード２１２は、複数の電源ＩＣ２００間の電流の回り込みを制限する。本実施形態では、ダイオードの直列数は２つであり、本質安全防爆構造におけるカテゴリーｉｂに対応する。ダイオードの直列数は３以上であってもよい。直列数が３であれば、カテゴリーｉａに対応する。

なお、複数のバッファ７０に対するそれぞれの電源線は、防爆規格上の沿面距離を満たすように、離れて配置されている。

図３に戻り、第３制限回路１３０Ｃは、第１制限回路１３０Ａと同じ構成を有する。発振器９０は、２５ＭＨｚの第１クロック信号および第２クロック信号を出力する。変換回路１２および変換回路１４は、それぞれ２５ＭＨｚの第１クロック信号および第２クロック信号に基づいて、ビットデータを処理する。上述の様に、第３制限回路１３０Ｃは、ヒューズ１３１の抵抗成分と定電圧回路１３２のキャパシタンス成分により、ローパスフィルタ特性を有する。第２クロック信号は、当該ローパスフィルタ特性により遅延される。このままの状態では、第１クロック信号および第２クロック信号は、当該ローパスフィルタ特性により位相がずれることになり、位相がずれると通信異常が発生する。

そこで、ＣＲローパスフィルタ５０は、上記ローパスフィルタ特性に対応する遅延特性で第１クロック信号を遅延させる。これにより、バリア１は、第１クロック信号および第２クロック信号の位相のずれを無くし、変換回路１２および変換回路１４の動作を同期させる。なお、第１クロック信号を遅延させる構成は、信号を遅延させるものであれば、バッファ等、どの様な構成であってもよい。

以上の様にして、制限回路１３は、通信機器３に接続される通信用の信号線、クロック用の信号線、および電源線の全てに対してエネルギー制限を行なう。これにより、制限回路１３は、高速の通信に対応しながらも、本質安全防爆構造における基準値以下にエネルギー制限を行なう。

なお、本実施形態の説明は、すべての点で例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味及び技術的範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

例えば、分離回路は、バッファに限らず、インバータ２個を直列に接続した回路、コンパレータを用いたドライブ回路、またはＦＥＴを用いたドライブ回路等であってもよい。

図６は、変形例１に係る第２制限回路１３０Ｂの回路図である。変形例１に係る第２制限回路１３０Ｂは、分離回路として、バッファ７０に代えてコンパレータ９２を備える。コンパレータ９２の非反転入力には抵抗１３３が接続され、変換回路１４から信号が入力される。反転入力には、抵抗９５および抵抗９６により分圧された電源電圧Ｖｃｃが入力される。

コンパレータ９２は、入力信号の電圧値が所定値（反転入力の電圧値）を超えた場合に信号の出力をオンし、入力信号の電圧値が所定値未満の場合には、信号の出力をオフする。したがって、コンパレータ９２は、バッファ７０と同様に、抵抗１３３の抵抗成分および定電圧回路１３２のキャパシタンス成分を分離し、抵抗１３３および定電圧回路１３２が接続された場合に生じる遅延特性を低減する。

また、変形例１に係る第２制限回路１３０Ｂでは、抵抗９５および抵抗９６の抵抗値を調整することでコンパレータ９２出力信号の電圧値を調整することができる。したがって、変形例１に係る第２制限回路１３０Ｂは、入力信号の電圧を任意の値に調整することができる。例えば、入力信号の電圧値を下げることで、電圧値がＨｉｇｈ，Ｌｏｗの閾値に近くなるため、ＨｉｇｈからＬｏｗへの切り換えが早くなる。

次に、図７は、変形例２に係る第２制限回路１３０Ｂの回路図である。変形例２に係る第２制限回路１３０Ｂは、分離回路として、バッファ７０に代えてＦＥＴ８０を備える。ＦＥＴ８０のゲートには抵抗１３３が接続される。ＦＥＴ８０のソースは、抵抗８５を介してグランドに接続される。ＦＥＴ８０のドレインは、電源線に接続される。

ＦＥＴ８０は、入力信号の電圧値が所定値を超えた場合にオンし、抵抗８５の抵抗値に応じた電圧の信号を出力する。入力信号の電圧値が所定値未満の場合には信号の出力がオフされる。したがって、ＦＥＴ８０もバッファ７０およびコンパレータ９２と同様に、抵抗１３３の抵抗成分および定電圧回路１３２のキャパシタンス成分を分離し、抵抗１３３および定電圧回路１３２が接続された場合に生じる遅延特性を低減する。

また、変形例２に係る第２制限回路１３０Ｂでは、抵抗８５の抵抗値を調整することで、後段の変換回路１２側に出力される信号の電圧値を調整することができる。

次に、図８は、変形例３に係るバリア１の一部ブロック図である。変形例３に係るバリア１は、変換回路１４の前段（すなわち第２制限回路１３０Ｂが接続される側とは反対側）に制限素子５００を備える。

制限素子５００は、抵抗５０１およびカップリングコンデンサ５０２を備える。制限素子５００は、これら抵抗およびカップリングコンデンサ５０２により、シリアル信号を送受信するための差動信号線に対し、エネルギー制限を行なう。バリア１は、制限素子５００により、変換回路１４からコネクタ１５に対する電流を基準値以下に制限する。したがって、第２制限回路１３０Ｂは、抵抗１３３の抵抗値を下げることができる。バッファ７０は、内部の回路においてわずかなキャパシタンス成分を有する。したがって、抵抗１３３およびバッファ７０は、わずかな遅延特性を有する。しかし、バリア１は、制限素子５００を備えることにより、抵抗１３３の抵抗値を下げることができるため、抵抗１３３およびバッファ７０により生じる遅延特性を低減する。

なお、本実施形態では、送受信各４本ずつの信号線を用いて、１００Ｍｂｐｓのシリアル信号を２５ＭＨｚのクロックで駆動されるパラレル信号に変換することで通信速度を維持する例を示したが、信号線の数はこの例に限らない。例えば、信号線が送信のみ、または受信のみである場合、信号線が１０本であれば、通信速度を１／１０に低減することができる。信号線の数は、目的とする通信速度と、制限回路の遅延特性とに応じて適宜設定する。

また、本発明は、シリアル信号をパラレル信号に変換することは必須ではない。本発明は、分離回路により抵抗成分とキャパシタンス成分とを分離することで、遅延特性を低減することができる。したがって、本発明は、分離回路により、目的とする通信速度を確保できる場合には、シリアル信号をパラレル信号に変換せずともよい。

また、本発明のエネルギー制限回路および安全保持器は、イーサネット（登録商標）規格に対応する通信機器に適用する例に限らない。本発明のエネルギー制限回路および安全保持器は、その他のどの様な通信規格に適用することもできる。また、本発明のエネルギー制限回路および安全保持器は、通信機器に接続される例に限らず、他の汎用機器に接続されてもよい。

なお、分離回路は、第１制限回路１３０Ａまたは第３制限回路１３０Ｃにおいて、ヒューズ１３１と定電圧回路１３２との間に配置されていてもよい。

図９は、変形例４に係る第１制限回路１３０Ａの回路図である。上述したように、第１制限回路１３０Ａおよび第３制限回路１３０Ｃは、変換回路１４に送信する信号に対して、それぞれヒューズ１３１および定電圧回路１３２による遅延特性を有する。しかし、図９の例では、ヒューズ１３１および定電圧回路１３２の間にバッファ７５を配置することで、ヒューズ１３１の抵抗成分と定電圧回路１３２のキャパシタンス成分とを分離し、遅延特性を低減する。

第３制限回路１３０Ｃについても同様に、ヒューズ１３１および定電圧回路１３２の間にバッファ７５を配置することで、ヒューズ１３１の抵抗成分と定電圧回路１３２のキャパシタンス成分とを分離し、遅延特性を低減することができる。なお、第３制限回路１３０Ｃにおいてバッファ７５を配置する場合には、ＣＲローパスフィルタ５０の時定数を調整する。あるいは、バッファ７５により遅延特性を大きく低減できる場合には、ＣＲローパスフィルタ５０を省略してもよい。

１…バリア（安全保持器）
２…通信機器
３…通信機器
１１…コネクタ
１２…変換回路（信号処理器）
１３…制限回路
１４…変換回路（信号処理器）
１５…コネクタ
５０…ＣＲローパスフィルタ（遅延回路）
７０，７５…バッファ（分離回路）
８０…ＦＥＴ（分離回路）
８５…抵抗
９０…発振器
９２…コンパレータ（分離回路）
９５，９６…抵抗
１３０Ａ…第１制限回路
１３０Ｂ…第２制限回路
１３０Ｃ…第３制限回路
１３１…ヒューズ
１３２…定電圧回路
１３３…抵抗
２００…電源ＩＣ（電源回路）
２０１…抵抗
２０２…定電圧回路
２０３…ヒューズ
２１２…ダイオード（逆流防止回路）
５００…制限素子
５０１…抵抗
５０２…カップリングコンデンサ

Claims (8)

1. キャパシタンス成分および抵抗成分により、エネルギー制限を行う制限回路と、
   前記キャパシタンス成分および前記抵抗成分を分離して、前記キャパシタンス成分および前記抵抗成分により生じる遅延特性を低減する分離回路と、
   を備えたエネルギー制限回路。
2. 前記抵抗成分は、前記分離回路よりも入力側に配置され、
   前記キャパシタンス成分は、前記分離回路よりも出力側に配置されている。
   請求項１に記載のエネルギー制限回路。
3. 前記キャパシタンス成分は、信号線とグランドとの間に接続されている、
   請求項１または請求項２に記載のエネルギー制限回路。
4. 前記制限回路に接続される信号処理器と、
   前記信号処理器のうち前記制限回路が接続される側とは反対側に接続され、エネルギー制限を行なう制限素子と、
   を備えた、
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のエネルギー制限回路。
5. 前記分離回路に電源を供給する電源回路と、
   前記電源回路の入力側に配置される第２の制限回路と、
   を備えた、
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のエネルギー制限回路。
6. 前記分離回路および前記電源回路を複数備え、
   前記第２の制限回路と複数の前記電源回路との間に逆流防止回路を備えた、
   請求項５に記載のエネルギー制限回路。
7. 前記分離回路は、バッファであり、
   前記キャパシタンス成分は、ツェナーダイオードである、
   請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のエネルギー制限回路。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のエネルギー制限回路を備えた、
   安全保持器。

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