JP2022527392A - 危険な場所と通常の場所との間の台形法電源バリア - Google Patents

Abstract

本発明は、危険な場所で動作する電気機器に安全な電力を供給する装置および関連する方法に関する。安全な電力は、危険な場所の可燃性ガスや粉塵を発火させるのに十分なエネルギーを供給しないように、電流制限と電圧制限の両方が行われた電力である。安全な電力は、電源から供給される動作電力の電圧を最初に制限することによって得られる。次いで、電圧制限された動作電力は、電流制限デバイスによって電流制限される。電流と電圧の制限された動作電力は、次いで、電流制限回路を介して降圧電力に変換される。その降圧電力は、次いで、第２の電圧制限デバイスによって電圧制限される。いくつかの実施形態では、電流制限回路は、電流モード降圧レギュレータである。【選択図】図５

Description

本発明は、危険な場所で動作する電気機器に安全な電力を供給する装置および関連する方法に関する。

いくつかの産業では、危険な濃度の可燃性のガスまたは粉塵を含む雰囲気のある危険な場所で作業を行う必要がある。例えば、そのような危険な場所は、工業用の塗料および液体を処理するシステムが使用される産業の現場で見つけることができる。また、そのような可燃性のガスおよび粉塵は、爆発性雰囲気を発火させるのに十分な熱または電気火花を与えることによって発火する可能性がある。

国際電気標準会議（IEC）は、そのような危険な場所でオペレーションを行うためのさまざまな安全規格基準を公布した国際機関である。IEC 60079-0、IEC 60079-11、およびIEC 60079-25といった３つの規格基準がそのためのものであり、これらは参照によって本明細書に組み込まれる。危険な場所はIECによって「危険区域」として定義されている。危険区域は「電気機器の建設、設置、および使用に特別な予防措置を必要とするような量の爆発性雰囲気が存在する、あるいは存在すると予測される区域」である（例えば、IEC 60079-0の定義3.2を参照）。爆発性雰囲気は「大気圧下において、ガス、蒸気、粉塵、繊維、または浮遊物の形の可燃性物質が空気と混合したもので、着火後、自立的に伝播することが可能なもの」である（例えば、IEC 60079-0の定義3.30を参照）。

そのような危険な場所で運転される電気機器は、かかる可燃性のガスまたは粉塵の着火のリスクをもたらす可能性がある。このような爆発性雰囲気の着火を防ぐために様々な方法が使用され得る。これらは、防爆チャンバーの使用、油または砂を用いた電気機器の浸漬、電気機器の安全な設計などを含む。これらのリスクを防ぐためのその電気機器の安全設計は、本質安全防爆（IS）と呼ばれる。本質安全防爆（IS）を考慮して設計された電気機器は、爆発性雰囲気の点火に利用できる電気的および熱的エネルギーを制限する。本質安全防爆は「爆発性雰囲気にさらされた機器内および相互接続配線の電気エネルギーを、火花または加熱効果によって着火を引き起こす可能性のあるレベルよりも低いレベルに制限することに基づく保護の種類」と定義される（例えば、IEC 60079-11の定義3.1.1を参照）。

通常運転において、いくつかの電気機器は、例えば、スイッチ、モーターブラシ、コネクタ、およびその他の場所で電気アークを発生する可能性がある。電気機器はまた、状況によっては点火源になり得る熱を発生する可能性がある。機器が通常運転において点火源を発生しない場合であっても、様々な構成要素の故障が機器にそのような点火源を生じさせる可能性を持つようにさせ得る。例えば、構成要素が短絡または開回路で故障した場合、以前は点火源を生じさせられなかった回路が、そのような点火源を生じさせるようになる可能性がある。

本質安全防爆と呼ばれる機器は、機器に１つ以上の構成要素の故障が発生した場合でも、爆発性雰囲気を発火させるのに十分な熱や火花を生じさせないように設計されている。本質安全防爆の電気機器は、低電圧および低電流で動作するように設計されており、火花を放つ可能性のある大容量コンデンサやインダクタを使用しないように設計されている。しかしながら、機器が本質安全防爆であったとしても、そのような機器は、本質安全防爆の電気機器に供給される電力が過剰な場合には点火源を生じさせることが可能な状態となってしまう。

したがって、電源バリアは、通常の場所で動作し、危険な場所にあるデバイスに安全な電力を供給するように設計されている。通常の場所は、IECによって「非危険区域」として定義されている。非危険区域は「電気機器の建設、設置、使用に特別な注意を必要とするような量の爆発性雰囲気が存在しないと予測される場所」である（例えば、IEC 60079-0の定義3.3を参照）。安全な電力は、そのような危険な場所に存在する低電圧と低電流のみを確保し、大きなエネルギーの蓄積ができないようにすることによって達成される電力である。安全な電力を供給するための最も一般的な方法の1つは、直列抵抗を使用して電流を制限し、ツェナーダイオードで電圧を制限することである。

危険な場所にある電気機器に安全な電力を供給するための電源バリアに関する装置および関連する方法。電力供給バリアは、第１および第２の電圧制限デバイス、抵抗器、および電流制限回路を含む。第１の電圧制限デバイスは、動作電力を受け取り、そして受け取った動作電力の電圧を第１の電圧制限値に制限するように構成されている。抵抗器は、第１端子と第２端子との間に電気抵抗を有する。第１の端子は、第１の電圧制限値に制限された動作電力を受け取るように、第１の電圧制限デバイスに結合されている。電流制限回路は、入力端子と出力端子とを有する。入力端子は、抵抗器を通して提供される動作電力を受け取るように、そしてそれ（抵抗器）によって電流が制限されるように、抵抗器の第２端子に結合されている。出力端子は、フィードバック信号に基づいて降圧電力を供給する。第２の電圧制限デバイスは、電流制限回路から供給された降圧電力を受け取り、供給された降圧電力の電圧を第１の電圧よりも小さい第２の電圧に制限するように構成されている。フィードバック信号は、第２の電圧に制限されて供給された降圧電力である。

いくつかの実施形態は、危険な場所にある電気機器に安全な電力を供給するための方法に関するものである。方法は、第１の電圧制限デバイスによって、動作電力を受け取ることによって開始される。次に、方法は、第１の電圧制限デバイスによって、動作電力の電圧を第１の電圧制限値に制限することによって継続される。次に、方法は、電気抵抗を有する抵抗器によって、第１の電圧制限デバイスによって電圧制限された動作電力を受け取ることによって継続される。方法は、電気抵抗を有する抵抗器によって、電圧が制限された動作電力の電流を電流制限値に制限することによって継続される。方法は、電流制限回路によって、第１の電圧制限デバイスによって電圧が制限され、抵抗器によって電流が制限された動作電力の電圧を受け取ることによって継続される。方法は、電流制限回路によって、フィードバック信号に基づいて降圧電力を供給することによって継続される。方法は、第２の電圧制限デバイスによって、降圧電力を受け取ることによって継続される。方法は、第１の電圧制限デバイスによって、降圧電力の電圧を第２の電圧制限値に制限することによって継続される。方法は、出力ポートによって、電圧制限された降圧電力を供給することによって終了される。フィードバック信号は、第２の電圧制限値に制限されて供給された降圧電力である。

図１は、危険な場所に安全な電力を供給するための従来技術の電源バリアの回路図である。 図２Ａは、負荷電流の関数としての図１に示した従来技術の電源バリアの電気的パラメータを示すグラフである。 図２Ｂは、負荷電流の関数としての図１に示した従来技術の電源バリアの電気的パラメータを示すグラフである。 図２Ｃは、負荷電流の関数としての図１に示した従来技術の電源バリアの電気的パラメータを示すグラフである。 図３は、危険な場所に安全な電力を供給するための台形法電源バリアの回路図である。 図４Ａは、負荷電流の関数としての図３に示した台形法電源バリアの電気的パラメータを示すグラフである。 図４Ｂは、負荷電流の関数としての図３に示した台形法電源バリアの電気的パラメータを示すグラフである。 図４Ｃは、負荷電流の関数としての図３に示した台形法電源バリアの電気的パラメータを示すグラフである。 図５は、危険な場所に安全な電力を効率的に供給するための、電力変換器を使用したフィードバック付き台形法電源バリアの回路図である。 図６は、台形法電源バリアの別の実施形態の回路図であり、電流制限回路においてトランジスタを使用している。

危険な場所で動作する電気機器のための安全な電力の供給に関連した装置および対応する方法。安全な電力は、危険な場所の可燃性のガスや粉塵を発火させるのに十分なエネルギーを供給しないように、電流制限と電圧制限の両方が行われた電力である。安全な電力は、電源によって供給された動作電力の電圧を最初に制限することによって得られる。次いで、電圧の制限された動作電力は、電流制限デバイスによって電流が制限される。電流と電圧の制限された動作電力は、次いで、電力変換器によってステップダウン（降圧）電力に変換される。降圧電力は、次いで第２の電圧制限デバイスによって電圧が制限される。いくつかの実施形態では、電力変換器は、電流モード降圧レギュレータである。そのような装置および方法は、工業用仕上げ用途で使用するように構成することができる。

図１は、危険な場所に安全な電力を供給するための従来技術の電源バリアの回路図である。図１において、従来技術の電源バリア１０は、電源VPSから動作電力を受け取り、そして負荷RLOADに電力を供給する。電源バリア１０は、入力ポートVIN、出力ポートVOUT、ヒューズF、ツェナーダイオードDVL、および抵抗器RCLを含む。電源VPSは、制御された電圧レベルで動作電力を電源バリア１０の入力ポートVINに供給する。ツェナーダイオードDVLは、供給された動作電力を受け取るように、そして受け取った動作電力の電圧をツェナーダイオードDVLのブレークダウン（降伏）特性によって決定される電圧制限値に制限するように、ヒューズFを介して入力ポートVINに電気的に結合される。

抵抗器RCLは、ツェナーダイオードDVLに電気的に結合した第１端子１２を有する。抵抗器RCLは、入力ポートVINを介して電源VPSから動作電力を受け取る。抵抗器RCLによって受け取られる動作電力は、ツェナーダイオードDVLによって電圧が制限される。抵抗器RCLは出力ポートVOUTに電気的に結合した第２端子１４を有する。抵抗器RCLは第１端子１２と第２端子１４との間に電気抵抗を示す。負荷RLOADは出力ポートVOUTに電気的に結合される。電源バリア１０を通じて負荷RLOADに供給される電力は、抵抗器RCLと負荷RLOADとの両方によって電流が制限される。

電源バリア１０は、負荷RLOADの両端に供給される電圧と負荷RLOADによって流される電流との両方を制限する機能を提供する。ツェナーダイオードは、負荷RLOADの両端の電圧を制限するように構成されているため、電圧制限デバイスとして機能する。たとえば、ツェナーダイオードDVLのツェナー降伏電圧が１６ボルトの場合、RLOADの両端に供給される最大電圧は１６ボルトとなる。この電圧は、負荷RLOADの電気抵抗が大きい場合にのみ生じる。例えば、抵抗器RCLの電気抵抗が３２オームの場合、負荷RLOADが６４オーム以上になると、ツェナーダイオードが電流を流し始める。他の実施形態では、電圧制限デバイスまたは回路としての機能に、他のデバイスおよび／または回路を使用することが可能である。

抵抗器RCLは、負荷RLOADによって流される電流を制限するように構成されているため、電流制限デバイスとして機能する。ツェナー降伏電圧と抵抗器RCLの抵抗値とについての上記の例示的な値を使用すると、負荷RLOADによって流される最大電流は５００ｍＡとなり、これはRLOADの電気抵抗がゼロの場合（すなわち、負荷RLOADが短絡した場合）にのみ発生する。他の実施形態では、他のデバイスおよび／または回路を使用して、電流制限デバイスまたは回路として機能させることができる。

図２Ａ～２Ｃは、負荷電流の関数としての図１に示した従来技術の電源バリアの電気的パラメータを示すグラフである。図２Ａにおいて、グラフ２０は、横軸２２、縦軸２４、および電圧／電流関係線２６を含む。横軸２２は、ミリアンペア（ｍＡ）で測定された、負荷RLOAD（図１に示される）によって流される電流を示している。縦軸２４は、ボルト（Ｖ）で測定された電圧を示している。電圧／電流関係線２６は、負荷RLOADによって流される電流の関数としての負荷RLOADの両端にかかる電圧を示している。電圧／電流関係線２６は、負荷RLOADによって流される電流が０ｍＡから５００ｍＡに増加するにつれて、最大電圧１６Ｖから最小電圧０Ｖまで直線的に減少する。最大電圧１６Ｖは、負荷RLOADの電気抵抗が開回路の場合（すなわち、負荷RLOADの電気抵抗が無限大の場合）に得られる。最小電圧０Ｖは、負荷RLOADの電気抵抗が短絡した場合（すなわち、負荷RLOADの電気抵抗がゼロの場合）に得られる。

図２Ｂにおいて、グラフ３０は、横軸３２、縦軸３４、および電流／電流関係線３６を含む。横軸３２はまた、ミリアンペア（ｍＡ）で測定された、負荷RLOADによって流される電流を示している。縦軸３４は、ミリアンペア（ｍＡ）で測定された電流を示している。電流／電流関係線３６は、負荷RLOADによって流される電流の関数としての電源バリア１０（図１に示される）により負荷RLOADに供給される電流を示している。電流／電流関係線３６は、供給される電流の全てがそこに供給されることから、電源バリア１０によって供給される電流と負荷RLOADに供給される電流との間の直接的均等性を示している。電源バリア１０によってRLOADに供給される最小電流０ｍＡは、負荷RLOADの電気抵抗が開回路である場合（すなわち、負荷RLOADの電気抵抗が無限大の場合）に得られる。電源バリア１０によってRLOADに供給される最大電流５００ｍＡは、負荷RLOADの電気抵抗が短絡した場合（すなわち、負荷RLOADの電気抵抗がゼロの場合）に得られる。

図２Ｃにおいて、グラフ４０は、横軸４２、縦軸４４、および電力／電流関係線４６を含む。横軸４２はまた、ミリアンペア（ｍＡ）で測定された、負荷RLOADによって流される電流を示している。縦軸４４は、ワット（Ｗ）で測定された電力を示している。電力／電流関係線４６は、負荷RLOADによって流される電流の関数としての電源バリア１０（図１に示される）により負荷RLOADに供給される電力を示している。電力／電流関係線４６は、電力最大値Ｍおよび電力最小値ｍ１、ｍ２を有する。電源バリア１０によってRLOADに供給される０（ゼロ）Ｗの電力最小値ｍ１とｍ２は、負荷RLOADの電気抵抗が開回路である場合（すなわち、負荷RLOADの電気抵抗が無限大の場合）か、または短絡した場合（すなわち、負荷RLOADの電気抵抗がゼロの場合）のいずれかの場合に得られる。電源バリア１０によってRLOADに供給される２．０Ｗの電力最大値Ｍは、負荷RLOADによって流される電流が２５０ｍＡの場合に得られ、これは負荷RLOADの抵抗が３２オームの場合に生じる。

図３は、危険な場所に安全な電力を供給するための台形法電源バリアの回路図である。図３において、台形法電源バリア５０は、電源VPSから動作電力を受け取り、そして電力を負荷RLOADに供給する。台形法電源バリア５０は、台形の特徴を示すことからこのように呼ばれる。具体的には、図４Ａを参照して以下に示すように、負荷線または電圧／電流関係線は台形の形状をしている。台形法電源バリア５０は、入力ポートVIN、出力ポートVOUT、ヒューズF、ツェナーダイオードDVL1及びDVL2、および抵抗器RCLを含む。電源VPSは、制御された電圧レベルで動作電力を台形法電源バリア５０の入力ポートVINに供給する。ツェナーダイオードDVL1は、供給された動作電力を受け取るように、そして受け取った動作電力の電圧をツェナーダイオードDVL1の降伏特性によって決定される電圧制限値に制限するように、ヒューズFを介して入力ポートVINに電気的に結合される。

抵抗器RCLは、ツェナーダイオードDVL1に電気的に結合した第１端子５２を有する。抵抗器RCLは、入力ポートVINを介して電源VPSから動作電力を受け取る。抵抗器RCLによって受け取られる動作電力は、ツェナーダイオードDVL1によって電圧が制限される。抵抗器RCLは出力ポートVOUTに電気的に結合した第２端子５４を有する。抵抗器RCLは第１端子５２と第２端子５４との間に電気抵抗を示す。ツェナーダイオードDVL2は、抵抗器RCLから電力を受け取るように、そして受け取った電力の電圧をツェナーダイオードDVL2の降伏特性によって決定される電圧制限値に制限するように、抵抗器RCLの第２端子５４に電気的に結合される。ツェナーダイオードDVL2は、出力ポートVOUTに電気的に結合される。電源バリア５０を通じて負荷RLOADに供給される電力は、抵抗器RCLと負荷RLOADとの両方によって電流が制限される。

台形法電源バリア５０は、従来技術の電源バリア１０には存在しないツェナーダイオードDVL2を含む点で、従来技術の電源バリア１０と異なる。ツェナーダイオードDVL1は負荷RLOADに供給される電圧を制限し、これによりツェナーダイオードDVL2はそのような義務から解放される。ツェナーダイオードDVL2は、抵抗器RCLとともに、負荷RLOADに供給される最大電流をＶ２に制限する役割を果たす。ツェナーダイオードDVL2は、負荷RLOADにかかる電圧を制限する義務から解放されているため、ツェナーダイオードDVL2の降伏特性は、システムの最大電圧制限要件によって決定される必要がない。ツェナーダイオードDVL2の降伏電圧は、抵抗器RCLの抵抗値の増加に見合った形で増加させることができる。このような相応の増加によって、システムの最大電流と最大電圧の制限を増加させることなく、負荷RLOADに増加した電力を供給することができる。したがって、ツェナーダイオードDVL2の降伏電圧は、通常、ツェナーダイオードDVL1の降伏電圧よりも小さくなる。

例えば、ツェナーダイオードDVL2が１６ボルトのツェナー降伏電圧を有している場合、RLOADの両端に供給される最大電圧は１６ボルトとなり、これは負荷RLOADの電気抵抗がゼロオームの場合にのみ発生する。例えば、ツェナーダイオードDVL1が２４ボルトのツェナー降伏電圧を有し、抵抗器RCLの電気抵抗が４８オームである場合、負荷RLOADによって流される最大電流は依然として５００ｍＡであり、これはRLOADの電気抵抗が無限大（すなわち、負荷RLOADが開回路）である場合にのみ発生する。

負荷RLOADに供給可能な最大電力は、以下に示すように、従来技術の電源バリアの２．０ワットから３．０ワットに増加する。負荷RLOADの抵抗が小さい場合、負荷RLOADの両端には小さな電圧しか発生しない。負荷RLOADにかかるそのような電圧がツェナーダイオードDVL2の降伏電圧よりも小さい場合、ツェナーダイオードDVL2は、電流を流さず、事実上、回路内でいかなる機能も果たしていないことになる（例えば、電気的影響なしにツェナーダイオードDVL2を取り除くことができる）。負荷RLOADの抵抗値が臨界抵抗値RCRITと等しくなると、負荷RLOADにかかる電圧はツェナーダイオードDVL2の降伏電圧と丁度等しくなり、電圧制限機能が復活する（数式１）。

同様に、負荷RLOADにかかる臨界電圧VCRITと、負荷RLOADによって流される臨界電流ICRITも決定される（数式２、３）。

図４Ａ～４Ｃは、負荷電流の関数としての図３に示した台形法電源バリアの電気的パラメータを示すグラフである。図４Ａ～４Ｃの各グラフは、臨界電流ICRITで分離された２つの領域Ｒ１、Ｒ２を有している。図４Ａにおいて、グラフ６０は、横軸６２、縦軸６４、および電圧／電流関係線６６を含む。横軸６２は、ミリアンペア（ｍＡ）で測定された、負荷RLOAD（図３に示される）によって流される電流を示している。縦軸６４は、ボルト（Ｖ）で測定された電圧を示している。電圧／電流関係線６６は、負荷RLOADによって流される電流の関数としての負荷RLOADの両端にかかる電圧を示している。電圧/電流関係線６６は、領域Ｒ１では一定である。なぜなら、領域Ｒ１では、負荷RLOADの電気抵抗が比較的大きく、そこ（RLOAD）にかかる電圧がツェナーダイオードDVL2によって制限された値に留まることができるからである。電圧／電流関係線６６は、領域Ｒ２では、負荷RLOADによって流される電流が０ｍＡから５００ｍＡに増加するにつれて、最大電圧１６Ｖから最小電圧０Ｖまで直線的に減少する。最大電圧１６Ｖは、負荷RLOADの電気抵抗値が臨界抵抗値RCRITと等しい場合（例えば、RCRITが、グラフに示される９６オームの場合）に得られる。最小電圧０Ｖは、負荷RLOADの電気抵抗が短絡した場合（すなわち、負荷RLOADの電気抵抗がゼロの場合）に得られる。電圧／電流関係線６６が示す電圧は、負荷電流領域全体で、図２Ａに描かれた電圧／電流関係線２６が示す電圧よりも大きいか又はそれに等しい。

図４Ｂにおいて、グラフ７０は、横軸７２、縦軸７４、電流／電流関係線７６、および電流／電流関係線７８を含む。横軸７２はまた、ミリアンペア（ｍＡ）で測定された、負荷RLOADによって流される電流を示している。縦軸７４は、ミリアンペア（ｍＡ）で測定された電流を示している。電流／電流関係線７６は、負荷RLOADによって流される電流の関数としての電源バリア５０（図３に示される）により負荷RLOADに供給される電流を示している。電流／電流関係線３６は、供給される電流の全てがそこに供給されることから、電源バリア１０によって供給される電流と負荷RLOADに供給される電流との間の直接的均等性を示している。電流/電流関係線７８は、負荷RLOADには供給されないが、代わりにツェナーダイオードDVL2（図３に示される）によって分流される電流を示している。総電流（すなわち、電流／電流関係線７６および７８で示される電流の合計）は、負荷電流領域全体で、図２Ｂの電流／電流関係線３６で示される電流よりも大きいか又はそれに等しい。

図４Ｃにおいて、グラフ８０は、横軸８２、縦軸８４、電力／電流関係線８６、および電力／電流関係線８８を含む。横軸８２はまた、ミリアンペア（ｍＡ）で測定された、負荷RLOADによって流される電流を示している。縦軸８４は、ワット（Ｗ）で測定された電力を示している。電力／電流関係線８６は、負荷RLOADによって流される電流の関数としての電源バリア５０（図３に示される）により負荷RLOADに供給される電力を示している。電力／電流関係線８８は、ツェナーダイオードDVL2で消費される電力を示している。電力／電流関係線８６は、領域Ｒ１では直線的に増加し、領域Ｒ２では下方凹の二次関数的な関係となっている。電力／電流関係線８６は、電力最大値Ｍおよび電力最小値ｍ１、ｍ２を有する。電源バリア５０によってRLOADに供給される０（ゼロ）Ｗの電力最小値ｍ１とｍ２は、負荷RLOADの抵抗が開回路である場合（すなわち、負荷RLOADの抵抗が無限大の場合）か、または短絡した場合（すなわち、負荷RLOADの抵抗がゼロの場合）のいずれかの場合に得られる。電源バリア５０によってRLOADに供給される３．０Ｗの電力最大値Ｍは、負荷RLOADによって流される電流が２５０ｍＡの場合に得られ、これは負荷RLOADの抵抗が４８オームの場合に生じる。電力／電流関係線８６が示す電力は、負荷電流領域全体で、図２Ｃに描かれた電力／電流関係線４６が示す電力よりも大きいか又はそれに等しい。図３に示されるような台形法電源バリア５０によって、図１に示される従来技術の電源バリア１０によって供給できるよりも多くの電力を供給することができるが、両方の電源バリアにおいては同じ電圧および電流の制限が有効である。

図５は、危険な場所に安全な電力を効率的に供給するための、電力変換器を使用したフィードバック付き台形法電源バリアの回路図である。図５において、電源バリア１００は、電源VPSから動作電力を受け取り、そして負荷RLOADに電力を供給する。電源バリア１００は、入力ポートVIN、出力ポートVOUT、ヒューズF、ツェナーダイオードDVL1及びDVL2、抵抗器RCL、フィードバック回路１０２、および電力変換器１０４を含む。電源VPSは、制御された電圧レベルで動作電力を電源バリア１００の入力ポートVINに供給する。ツェナーダイオードDVL1は、供給された動作電力を受け取るように、そして受け取った動作電力の電圧をツェナーダイオードDVL1の降伏特性によって決定される電圧制限値に制限するように、ヒューズFを介して入力ポートVINに電気的に結合される。

抵抗器RCLは、ツェナーダイオードDVL1に電気的に結合した第１端子１０６を有する。抵抗器RCLは、入力ポートVINを介して電源VPSから動作電力を受け取る。抵抗器RCLによって受け取られる動作電力は、ツェナーダイオードDVL1によって電圧が制限される。抵抗器RCLは、電力変換器１０４の入力ポートINに電気的に結合した第２端子１０８を有する。抵抗器RCLは第１端子１０６と第２端子１０８との間に電気抵抗を示す。電力変換器１０４は、入力ポートINで抵抗器RCLの第２端子１０８から電力を受け取る。電力変換器１０４は、受け取った電力を変換し、変換した電力を電力変換器１０４の出力ポートOUTに供給する。電力変換器１０４は、フィードバックポートＦＢで受信したフィードバック信号に基づいて、出力ポートOUTに供給する電力を制御する。

ツェナーダイオードDVL2は、電力変換器１０４の出力ポートOUTに電気的に結合され、そこから電力を受け取るように、そして受け取った電力の電圧をツェナーダイオードDVL2の降伏特性によって決定される電圧制限値に制限するように働く。ツェナーダイオードDVL2は、出力ポートVOUTに電気的に結合される。電源バリア１００を通じて負荷RLOADに供給される電力は、抵抗器RCLと負荷RLOADとの両方によって電流が制限される。フィードバック回路１０２は、VOUTの出力電圧の分圧器として構成された抵抗器RFB1およびRFB2を含む。

電源バリア１００は、台形法電源バリア５０には存在しない電力変換器１０４およびフィードバック回路１０２を含む点で、台形法電源バリア５０と異なる。電源コンバータ１００は、ツェナーダイオードDVL2によって分流される電流を低減することで、台形法電力変換器５０よりも効率が向上するように構成されている。電源コンバータ５０は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータとすることができる。いくつかの実施形態では、電源コンバータは、例えば、電流モード降圧レギュレータなどの電圧レギュレータである。

いくつかの実施形態では、電源コンバータ５０は、RLOADにかかる電圧を制御し、その電圧がツェナーダイオードDVL2の降伏電圧よりもわずかに小さくなるようにして、その間の電流の流れを防止するように構成される。電源コンバータ５０は、負荷RLOADの抵抗値が臨界値RCRITよりも大きい場合に、そのような電圧を供給するように構成することができる。負荷RLOADが臨界値RCRITを下回ると、電源バリア１００では、抵抗器RCLによって電流制限がされ、RLOADにかかる電圧が目標とする制御電圧から減少される。このように、電源変換器１００およびフィードバック回路１０２は、負荷RLOADの抵抗値が臨界値RCRITよりも大きい場合に、電圧が目標値に制御される電圧制御システムと考えることができる。

また、電源変換器１００とフィードバック回路１０２は、インピーダンス制御回路と考えることもできる。例えば、電源変換器１００は、抵抗器RCLと直列であり、それにより、ツェナーダイオードDVL1とツェナーダイオードDVL2との間の実効抵抗として機能する。いくつかの実施形態では、負荷RLOADの抵抗値が臨界値RCRITよりも小さい場合、その間の実効抵抗は抵抗器RCLと実質的に等しい。負荷RLOADの抵抗値が臨界値RCRITよりも小さい場合、電源変換器１００の入力ポートINと出力ポートOUTとの間の実効抵抗は、抵抗器RCLに対して小さくすることができる。例えば、電源変換器１００の入力ポートINと出力ポートOUTとの間の実効抵抗は、抵抗器RCLの抵抗値の２０％、１５％、１０％、５％、または３％よりも小さくすることができる。

図６は、台形法電源バリアの別の実施形態の回路図であり、電流制限回路においてトランジスタを使用している。図６において、電源バリア１２０は、電源VPSから動作電力を受け取り、そして負荷RLOADに電力を供給する。電源バリア１２０は、入力ポートVIN、出力ポートVOUT、ヒューズF、ツェナーダイオードDVL1及びDVL2、抵抗器RCL、フィードバックアンプAFB、および電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）FCLを含む。電源VPSは、制御された電圧レベルで動作電力を電源バリア１２０の入力ポートVINに供給する。ツェナーダイオードDVL1は、供給された動作電力を受け取るように、そして受け取った動作電力の電圧をツェナーダイオードDVL1の降伏特性によって決定される電圧制限値に制限するように、ヒューズFを介して入力ポートVINに電気的に結合される。

抵抗器RCLは、ツェナーダイオードDVL1に電気的に結合した第１端子１０６を有する。抵抗器RCLは、入力ポートVINを介して電源VPSから動作電力を受け取る。抵抗器RCLによって受け取られる動作電力は、ツェナーダイオードDVL1によって電圧が制限される。抵抗器RCLは、電流制限ＦＥＴFCLの第１端子１２２に電気的に結合した第２端子１０８を有する。抵抗器RCLは第１端子１０６と第２端子１０８との間に電気抵抗を示す。電流制限ＦＥＴFCLは、第１端子１２２で抵抗器RCLの第２端子１０８から電力を受け取る。電流制限ＦＥＴFCLの第１端子１２２と第２端子１２４との間の抵抗値は制御端子１２６によって制御される。電流制限ＦＥＴFCLの抵抗値はフィードバックアンプAFBによって制御される。

フィードバックアンプAFBは、出力端子VOUTの出力電圧を基準電圧VREFと比較する。いくつかの実施形態では、VREFはツェナーダイオードDVL2の降伏電圧よりもわずかに小さく、それによってそこを流れる電流が阻止される。いくつかの実施形態では、電流制限ＦＥＴFCLの実効抵抗値は、RLOADが臨界値RCRITよりも小さい場合、臨界値RCLよりも実質的に小さい。例えば、電流制限ＦＥＴFCLの実効抵抗値は、抵抗器RCLの抵抗値の２０％、１５％、１０％、５％、または３％よりも小さくすることができる。しかしながら、RLOADが臨界値RCRITよりも大きい場合、ツェナーダイオードDVL2に流れる電流を減少させるように電流制限ＦＥＴFCLの抵抗が増加するため、電源バリア１２０の電力効率が向上する。

例示的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更を加えたり、その構成要素に同等のものを代用したりすることができることを理解できるであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適応させるために、多くの変更を行うことができる。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内に入るすべての実施形態を含むことを意図している。

Claims (22)

1. 危険な場所で動作する電気機器に安全な電力を供給するための電源バリアであって、前記電源バリアは、
   動作電力を受け取り、その受け取った動作電力の電圧を第１の電圧制限値に制限するように構成された第１の電圧制限デバイスと、
   第１の端子と第２の端子との間に電気抵抗を有する抵抗器であって、前記第１の端子は前記第１の電圧制限値に制限された前記動作電力を受け取るように前記第１の電圧制限デバイスに結合されている抵抗器と、
   入力端子と出力端子とを有する電流制限回路であって、前記入力端子は、前記抵抗器の前記第２端子に結合されており、それによって電流が制限され、そこから供給される動作電力を受け取り、前記出力端子は、出力電圧を有する降圧電力を供給し、前記出力電圧は、前記電流制限回路により基準電圧とフィードバック信号との比較に基づいて制御される、電流制限回路と、
   電流制限回路から供給された前記降圧電力を受け取り、供給された前記降圧電力の前記出力電圧を前記第１の電圧よりも小さい第２の電圧に制限するように構成された第２の電圧制限デバイスと、を備え、
   前記フィードバック信号は、前記第２の電圧に制限された前記降圧電力に基づくものであり、通常動作時には、前記第２の電圧制限デバイスによる電流の流れを防ぐために、前記出力電圧が前記第２の電圧制限値よりも小さい電圧になるように制御される、ことを特徴とする電源バリア。
2. 安全な電力は、所定の電圧閾値に制限された電圧と、所定の電流閾値に制限された電流との両方を有する電力からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の電源バリア。
3. 前記所定の電流閾値は、前記第１の電圧を前記抵抗器の抵抗値で割った値以上である、ことを特徴とする請求項２に記載の電源バリア。
4. 前記電流制限回路は、前記所定の電流閾値以下の電流制限値を有する、ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電源バリア。
5. 前記第２の電圧は、前記所定の電圧制限値以下である、ことを特徴とする請求項２～４のいずれか１項に記載の電源バリア。
6. 前記電流制限回路が電力変換器である、ことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の電源バリア。
7. 前記電力変換器は、電流モード降圧レギュレータである、ことを特徴とする請求項６に記載の電源バリア。
8. 前記第１の電圧制限デバイスは、前記第１の電圧と等しい降伏電圧を有するツェナーダイオードで構成されている、ことを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の電源バリア。
9. 前記第１の電圧制限デバイスは、それぞれが前記第１の電圧と等しい降伏電圧を有する複数の並列接続されたツェナーダイオードからなる、ことを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の電源バリア。
10. 前記第２の電圧制限デバイスは、前記第２の電圧と等しい降伏電圧を有するツェナーダイオードで構成されている、ことを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の電源バリア。
11. 前記第２の電圧制限デバイスは、それぞれが前記第２の電圧に等しい降伏電圧を有する複数の並列接続されたツェナーダイオードからなる、ことを特徴とする請求項１～１０のいずれか１項に記載の電源バリア。
12. ヒューズを更に備え、前記動作電力は前記ヒューズを介して伝えられる、ことを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の電源バリア。
13. 前記出力端子に接続されたときに前記電気機器に前記安全な電力を供給するための、前記出力端子と電気的に接続するコネクタを更に備える、ことを特徴とする請求項１～１２のいずれか１項に記載の電源バリア。
14. 前記降圧電力は、前記第１の電圧制限値よりも小さい電圧を有する、ことを特徴とする請求項１～１３のいずれか１項に記載の電源バリア。
15. システムが工業用仕上げ用途で使用するように構成されている、ことを特徴とする請求項１～１４のいずれか１項に記載の電源バリア。
16. 複数の電源バリアを有し、それぞれの電源バリアは請求項１～１５のいずれか１項に記載の電源バリアであって、それぞれの電源バリアは、前記出力端子に接続されたときに前記電気機器に前記安全な電力を供給するための、前記出力端子と電気的に接続するコネクタを更に備える、ことを特徴とする電源バリア。
17. 危険な場所で動作する電気機器に安全な電力を供給する方法であって、
    第１の電圧制限デバイスによって、動作電力を受け取るステップと、
    前記第１の電圧制限デバイスによって、前記動作電力の電圧を第１の電圧制限値に制限するステップと、
    電気抵抗を有する抵抗器によって、前記第１の電圧制限デバイスにより電圧が制限された前記動作電力を受け取るステップと、
    電気抵抗を有する抵抗器によって、電圧が制限された動作電力の電流を電流制限値に制限するステップと、
    前記第１の電圧制限デバイスによって電圧が制限され、かつ前記抵抗器によって電流が制限された前記動作電力の電圧を、電流制限回路によって受け取るステップと、
    前記電流制限回路により、フィードバック信号に基づいて降圧電力を供給するステップと、
    第２の電圧制限デバイスにより、前記降圧電力を受け取るステップと、
    前記第１の電圧制限デバイスによって、前記降圧電力の電圧を第２の電圧制限値に制限するステップと、
    出力ポートによって、前記電圧制限された降圧電力を供給するステップと、
    を含み、
    前記フィードバック信号は、前記第２の電圧制限値に制限されて供給された降圧電力である、ことを特徴とする方法。
18. 安全な電力は、所定の電圧閾値に制限された電圧と、所定の電流閾値に制限された電流との両方を有する電力からなる、ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記所定の電流閾値は、前記第１の電圧を前記抵抗器の抵抗値で割った値以上である、ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記電流制限回路は、前記所定の電流閾値以下の電流制限値を有する、ことを特徴とする請求項１８または請求項１９に記載の方法。
21. 前記第２の電圧は、前記所定の電圧制限値以下である、ことを特徴とする請求項１８～２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 方法は、前記動作電力がヒューズを介して伝えられることを更に含む、ことを特徴とする請求項１７～２１のいずれか１項に記載の方法。

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