JP7843851B2

JP7843851B2 - タイマーベースの障害保護回路

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Publication number: JP7843851B2
Application number: JP2024543529A
Authority: JP
Inventors: アシシュシュリカントバンディワデカール，
Original assignee: マイクロモーションインコーポレイテッド
Priority date: 2022-01-24
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2026-04-10
Anticipated expiration: 2042-01-24
Also published as: WO2023140868A1; JP2025503122A; EP4470080A1; US20250087987A1; CN118575385A

Description

以下に説明する実施形態は、障害保護回路に関し、より詳細には、タイマーベースの障害保護回路に関する。

一部の処理システムは、本質安全（ＩＳ）ゾーンで意図された機能を実行するために、より多くの電力を必要とする。この高電力要求は、例えば、ＦＰＧＡを内蔵した高速マルチコアプロセッサが原因となる場合がある。高電力要求は、場合によっては、高電流を供給することによってのみ満たすことができる場合がある。しかし、バリアの動作は故障状態でのみ考慮されるため、ＩＳバリアの設計時には、最悪の故障状態を考慮する必要がある。

通常の動作条件では、これらのバリアはオープン回路である必要があり、通常の回路動作の一部ではない場合がある。従来のツェナーバリアは、障害状態での高消費電力のために、このような高電流／高電力用途には適していない場合がある。高消費電力状態での障害の下では、ツェナーリードとそのケースの温度は容易に最大閾値レベルを超え、バリアが損傷する可能性がある。ＩＳバリアが損傷を受けると、ＩＳ負荷が障害状態にさらされる可能性がある。

従来のツェナーダイオードバリアが採用されてきたが、高電流用途において効果を発揮するために、望ましくないほど大きなフォームファクタ（例えば、ボードスペース、オーバヘッドスペース、放熱ハードウェアなど）を必要とする場合がある。さらに、ツェナーダイオードは、望ましくないほど高い消費電力を必要とし、したがって、かなりの放熱要件を必要とする場合がある。ツェナーダイオードの時間が制限されていれば、このような望ましくないほど高い消費電力要求がなく、より小さいフォームファクタを使用することができる。従って、タイマーベースの障害保護回路が必要である。

タイマーベースの障害保護回路が提供される。一実施形態に係るタイマーベースの障害保護回路は、本質安全負荷の第１端子に電気的に結合するように構成された高電圧ライン、本質安全負荷の第２端子に電気的に結合するように構成された低電圧ライン、本質安全負荷に対して電気的に並列に高電圧ライン及び低電圧ラインに結合された電圧リミッタ及び遅延／ＬＩＰイネーブル回路、並びに本質安全負荷に対してシャント構成で高電圧ライン及び低電圧ラインに電気的に結合されたスイッチ可能な低インピーダンスパス、を備える。電圧リミッタは、遅延／ＬＩＰイネーブル回路に通信可能に結合され、遅延／ＬＩＰイネーブル回路に信号を供給するように構成され、遅延／ＬＩＰイネーブル回路は、スイッチ可能な低インピーダンスパスに通信可能に結合され、スイッチ可能な低インピーダンスパスに信号を供給するように構成される。

タイマーベースの障害保護回路を形成する方法が提供される。一実施形態によれば、この方法は、高電圧ラインを本質安全負荷の第１端子に電気的に結合するように構成するステップ、低電圧ラインを本質安全負荷の第２端子に電気的に結合するように構成するステップ、本質安全負荷に対して電気的に並列に電圧リミッタ及び遅延／ＬＩＰイネーブル回路を高電圧ライン及び低電圧ラインに結合するステップ、本質安全負荷に対してシャント構成でスイッチ可能な低インピーダンスパスを高電圧ライン及び低電圧ラインに電気的に結合するステップ、電圧リミッタを遅延／ＬＩＰイネーブル回路に通信可能に結合し、信号を遅延／ＬＩＰイネーブル回路に提供するように構成するステップ、遅延／ＬＩＰイネーブル回路をスイッチ可能な低インピーダンスパスに通信可能に結合するステップ、並びに遅延／ＬＩＰイネーブル回路をスイッチ可能な低インピーダンスパスに信号を供給するように構成するステップ、を含む。

［態様］
一態様によれば、タイマーベースの障害保護回路は、本質安全負荷の第１端子に電気的に結合するように構成された高電圧ライン、本質安全負荷の第２端子に電気的に結合するように構成された低電圧ライン、本質安全負荷に対して電気的に並列に高電圧ライン及び低電圧ラインに結合された電圧リミッタ及び遅延／ＬＩＰイネーブル回路、並びに本質安全負荷に対してシャント構成で高電圧ライン及び低電圧ラインに電気的に結合されたスイッチ可能な低インピーダンスパスを備える。電圧リミッタは、遅延／ＬＩＰイネーブル回路に通信可能に結合され、遅延／ＬＩＰイネーブル回路に信号を供給するように構成され、遅延／ＬＩＰイネーブル回路は、スイッチ可能な低インピーダンスパスに通信可能に結合され、スイッチ可能な低インピーダンスパスに信号を供給するように構成される。

好ましくは、前記タイマーベースの障害保護回路は、高電圧ラインに電気的に結合された第１端子と、低電圧ラインに電気的に結合された第２端子とを有する過渡電圧抑制ダイオードをさらに備え、前記過渡電圧抑制ダイオードは、前記高電圧ラインの電圧が前記過渡電圧抑制ダイオードのブレークダウン電圧よりも大きいときに、前記高電圧ラインと前記低電圧ラインとの間に電流を流すように構成される。

好ましくは、遅延／ＬＩＰイネーブル回路から信号を受信すると、スイッチ可能な低インピーダンスパスは、過渡電圧抑制ダイオードのブレークダウン電圧未満の電圧で、高電圧ラインと低電圧ラインとの間に順方向伝導電流を流すように構成される。

好ましくは、電圧リミッタは、低電圧ラインの電圧に対する高電圧ラインの電圧を検知し、低電圧ラインの電圧に対する高電圧ラインの電圧が過電圧閾値より大きいときに、遅延／ＬＩＰイネーブル回路に信号を供給するように構成される。

好ましくは、前記電圧リミッタは、前記高電圧ラインに電気的に結合された第１端子と、前記低電圧ラインに電気的に結合された第２端子とを有し、前記低電圧ラインの電圧に対する前記高電圧ラインの電圧に基づいて基準電圧を供給するように構成された電圧デバイダ、及び前記高電圧ラインに電気的に結合された第１端子と、前記低電圧ラインに電気的に結合された第２端子と、前記基準電圧を受信するように構成された電圧基準端子とを有する第１の電圧調整可能シャントレギュレータを備え、前記第１の電圧調整可能シャントレギュレータは、前記基準電圧に基づいて電流を流すように構成されている。

好ましくは、遅延／ＬＩＰイネーブル回路は、電圧リミッタから信号を受信し、電圧リミッタから信号を受信したときに遅延／ＬＩＰイネーブル回路のタイマー機能を開始し、タイマー機能が遅延閾値に達したときに信号をスイッチ可能な低インピーダンスパスに供給するように構成されている。

好ましくは、遅延／ＬＩＰイネーブル回路は、電圧リミッタからの信号を受信し、電圧リミッタからの信号を使用してＲＣネットワーク内の一つ以上のキャパシタを電圧まで充電するように構成されたＲＣネットワーク、前記ＲＣネットワークに電気的に結合され、ＲＣネットワーク内の一つ以上のキャパシタの電圧を受信し、ＲＣネットワークの一つ以上のキャパシタの電圧に基づいて電流を流すように構成された第２の電圧調整可能シャントレギュレータ、及び第２の電圧調整可能シャントレギュレータに電気的に結合されたＳＣＲイネーブルスイッチであって、第２の電圧調整可能シャントレギュレータが電流を流すときにスイッチ可能な低インピーダンスパスに信号を提供するように構成されるＳＣＲイネーブルスイッチを備える。

好ましくは、第２の電圧調整可能シャントレギュレータは、高電圧ライン及びＳＣＲイネーブルスイッチのベース端子に電気的に結合された第１端子と、低電圧ラインに電気的に結合された第２端子と、ＲＣネットワークの一つ以上のキャパシタの電圧を受信するように構成された基準電圧端子とを備える。第２の電圧調整可能シャントレギュレータは、ＲＣネットワークの一つ以上のキャパシタの電圧に比例して、高電圧ラインから低電圧ラインへ電流を流すように構成されている。

好ましくは、スイッチ可能な低インピーダンスパスは、高電圧ラインに電気的に結合された第１端子と、低電圧ラインに電気的に結合された第２端子と、遅延／ＬＩＰイネーブル回路から信号を受信するようにＳＣＲイネーブルスイッチに電気的に結合されたゲートとを有するＳＣＲを備える。ＳＣＲは、遅延／ＬＩＰイネーブル回路からの信号がゲート閾値を超えるときに、高電圧ラインと低電圧ラインとの間で順方向伝導電流を流すように構成されている。

好ましくは、遅延／ＬＩＰイネーブル回路から受信される信号は、ゲート閾値を超える高電圧ラインの電圧値を含む。

好ましくは、ＳＣＲは、順方向伝導電流がＳＣＲの保持電流より大きい間、順方向伝導電流を流すように構成される。

一態様によれば、タイマーベースの障害保護回路を形成する方法は、高電圧ラインを本質安全負荷の第１端子に電気的に結合するように構成するステップ、低電圧ラインを本質安全負荷の第２端子に電気的に結合するように構成するステップ、本質安全負荷に対して電気的に並列に、電圧リミッタ及び遅延／ＬＩＰイネーブル回路を高電圧ライン及び低電圧ラインに結合するステップ、本質安全負荷に対してシャント構成でスイッチ可能な低インピーダンスパスを高電圧ライン及び低電圧ラインに電気的に結合するステップ、電圧リミッタを遅延／ＬＩＰイネーブル回路に通信可能に結合し、信号を遅延／ＬＩＰイネーブル回路に提供するように構成するステップ、遅延／ＬＩＰイネーブル回路をスイッチ可能な低インピーダンスパスに通信可能に結合するステップ、及び遅延／ＬＩＰイネーブル回路をスイッチ可能な低インピーダンスパスに信号を供給するように構成するステップ、を含む。

好ましくは、前記方法が、過渡電圧抑制ダイオードの第１端子を前記高電圧ラインに、第２端子を前記低電圧ラインに電気的に結合するステップをさらに含み、前記過渡電圧抑制ダイオードは、前記高電圧ラインの電圧が前記過渡電圧抑制ダイオードのブレークダウン電圧よりも大きい場合に、前記高電圧ラインと前記低電圧ラインとの間に電流を流すように構成されている。

好ましくは、遅延／ＬＩＰイネーブル回路から信号を受信すると、過渡電圧抑制ダイオードのブレークダウン電圧未満の電圧で高電圧ラインと低電圧ラインとの間に順方向伝導電流を流すように、スイッチ可能な低インピーダンスパスを構成する。

好ましくは、前記方法が、前記低電圧ラインの電圧に対する前記高電圧ラインの電圧を検知し、前記低電圧ラインの電圧に対する前記高電圧ラインの電圧が過電圧閾値よりも大きいときに、前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路に前記信号を供給するように前記電圧リミッタを構成するステップをさらに含む。

好ましくは、電圧リミッタを高電圧ライン及び低電圧ラインに電気的に結合するステップは、電圧デバイダの第１端子を高電圧ラインに、電圧デバイダの第２端子を低電圧ラインに電気的に結合し、電圧デバイダを、低電圧ラインの電圧に対する高電圧ラインの電圧に基づいて基準電圧を供給するように構成することと、第１の電圧調整可能シャントレギュレータの第１端子を高電圧ラインに、第１の電圧調整可能シャントレギュレータの第２端子を低電圧ラインに電気的に結合し、第１の電圧調整可能シャントレギュレータの電圧基準端子で基準電圧を受信し、第１の電圧調整可能シャントレギュレータが基準電圧に基づいて電流を流すように構成することと、を含む。

好ましくは、前記方法は、遅延／ＬＩＰイネーブル回路を、電圧リミッタから信号を受信し、前記電圧リミッタから信号を受信したときに遅延／ＬＩＰイネーブル回路のタイマー機能を開始し、タイマー機能が遅延閾値に達したときに信号をスイッチ可能な低インピーダンスパスに供給するように構成するステップをさらに含む。

好ましくは、遅延／ＬＩＰイネーブル回路は、電圧リミッタからの信号を受信し、電圧リミッタからの信号を使用してＲＣネットワーク内の一つ以上のキャパシタを電圧まで充電するように構成されたＲＣネットワーク、前記ＲＣネットワークに電気的に結合され、ＲＣネットワーク内の一つ以上のキャパシタの電圧を受信し、ＲＣネットワークの一つ以上のキャパシタの電圧に基づいて電流を流すように構成された第２の電圧調整可能シャントレギュレータ、及び第２の電圧調整可能シャントレギュレータに電気的に結合されたＳＣＲイネーブルスイッチであって、第２の電圧調整可能シャントレギュレータが電流を流すときに、スイッチ可能な低インピーダンスパスに信号を提供するように構成されるＳＣＲイネーブルスイッチを備える。

好ましくは、第２の電圧調整可能シャントレギュレータは、高電圧ライン及びＳＣＲイネーブルスイッチのベース端子に電気的に結合された第１端子と、低電圧ラインに電気的に結合された第２端子と、ＲＣネットワークの一つ以上のキャパシタの電圧を受けるように構成された基準電圧端子と、を含む。第２の電圧調整可能シャントレギュレータは、ＲＣネットワークの一つ以上のキャパシタの電圧に比例して、高電圧ラインから低電圧ラインへ電流を流すように構成される。

好ましくは、スイッチ可能な低インピーダンスパスは、高電圧ラインに電気的に結合された第１端子と、低電圧ラインに電気的に結合された第２端子と、遅延／ＬＩＰイネーブル回路から信号を受信するようにＳＣＲイネーブルスイッチに電気的に結合されたゲートとを有するＳＣＲを備える。ＳＣＲは、遅延／ＬＩＰイネーブル回路からの信号がゲート閾値を超えるときに、高電圧ラインと低電圧ラインとの間に順方向伝導電流を流すように構成される。

すべての図面において、同じ参照番号は同じ要素を表す。図面は必ずしも縮尺通りではないことを理解されたい。
図１は、タイマーベースの障害保護回路１００を示す。図２は、図１を参照して説明したタイマーベースの障害保護回路１００のより詳細な図を示す。図３は、他のタイマーベースの障害保護回路３００を示す。図４は、図１－３を参照して先に説明したタイマーベースの障害保護回路１００、３００などの、タイマーベースの障害保護回路のタイミングを示すタイミング図４００を示す。図５は、タイマーベースの障害保護回路を形成する方法５００を示す。

図１－５および以下の説明は、タイマーベースの障害保護回路の実施形態の最良のモードをどのようにして作製し、使用するかを当業者に教示するための特定の例を示す。本発明の原理を教示する目的で、一部の従来の態様が単純化又は省略されている。当業者は、本明細書の範囲内に入るこれらの実施例からの変形を理解するであろう。当業者であれば、以下に説明する特徴を様々な方法で組み合わせて、タイマーベースの障害保護回路の複数の変形を形成することができることを理解するであろう。その結果、以下に説明する実施形態は、以下に説明する具体例に限定されるものではなく、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定される。

図１は、タイマーベースの障害保護回路１００を示す。図１に示すように、タイマーベースの障害保護回路１００は、高電圧ライン１０２及び低電圧ライン１０４に通信可能に結合された入力１００ｉを含む。高電圧ライン１０２及び低電圧ライン１０４は、本質安全負荷ＩＳＬに電気的に結合されている。より具体的には、高電圧ライン１０２は、本質安全負荷ＩＳＬの第１端子に電気的に結合され、低電圧ライン１０４は、本質安全負荷ＩＳＬの第２端子に電気的に結合されている。高電圧ライン１０２、低電圧ライン１０４、及び本質安全負荷ＩＳＬは、電流ループＣＬを形成し、これは、電流ループＣＬ内の電流の方向を示す矢印を一端に有する破線によって示されている。図１に示すように、高電圧ライン１０２及び低電圧ライン１０４は、導体のみから構成されているため、高電圧端子と呼ぶことができる。代替の高電圧ラインは、集中定数素子などの素子を含んでいてもよい。例えば、代替の高電圧ラインおよび／または低電圧ラインは、抵抗素子、容量素子、および／または誘導素子を含んでもいてよい。

また、図１には、入力端子に並列に高電圧ライン１０２及び低電圧ライン１０４に電気的に結合された電圧リミッタ１１０が示されている。図１に示すように、電圧リミッタ１１０は、高電圧ライン１０２に電気的に結合された第１端子と、低電圧ライン１０４に電気的に結合された第２端子とを含む。遅延／低インピーダンスパス（「ＬＩＰ」）イネーブル回路１２０もまた、入力端子と並列に、高電圧ライン１０２及び低電圧ライン１０４に電気的に結合されている。例えば、図１に示すように、遅延及びＬＩＰイネーブル回路１２０は、高電圧ライン１０２に電気的に結合された第１端子、及び低電圧ライン１０４に電気的に結合された第２端子を含む。図１に示されるように、電圧リミッタ１１０は、遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０に電気的に結合されるものとして示されている。例えば、図１に示すように、電圧リミッタ１１０は、矢印で示される方向で、遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０に通信可能に結合されている。

図１には、高電圧ライン１０２及び低電圧ライン１０４に電気的に結合されたスイッチ可能な低インピーダンスパス１３０も示されている。スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０は、高電圧ライン１０２に電気的に結合された第１端子と、低電圧ライン１０４に電気的に結合された第２端子とを含むものとして示されている。スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０は、ＳＣＲ１３０Ｄおよび直列抵抗器１３０Ｒを含む。本明細書では、「ＳＣＲ」との頭文字は、シリコン制御整流器を指す場合があるが、シリコン制御整流器と呼ばれていなくても、代替的な装置が採用されてもよい。例えば、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０においてサイリスタを採用することができる。

ＳＣＲ１３０Ｄと直列抵抗器１３０Ｒとは、電気的に直列に結合されている。より詳細には、ＳＣＲ１３０Ｄの第１端子は高電圧ライン１０２に電気的に結合され、ＳＣＲ１３０Ｄの第２端子は直列抵抗器１３０Ｒの第１端子に電気的に結合されている。直列抵抗器１３０Ｒの第２端子は、低電圧ライン１０４に電気的に結合されている。従って、ＳＣＲ１３０Ｄの第２端子は直列抵抗器１３０Ｒを介して低電圧ライン１０４に電気的に結合されているが、ＳＣＲ１３０Ｄは低電圧ライン１０４に直接電気的に結合されていてもよい。ＳＣＲ１３０Ｄおよび／または直列抵抗器１３０Ｒは、望ましい低消費電力レベルが達成されることを確実にするように選択することができるが、任意の適切な基準が採用されてもよい。

図１は、入力端子と並列に高電圧ライン１０２および低電圧ライン１０４に電気的に結合される、過渡電圧シャント（「ＴＶＳ」）ダイオード１４０も示す。より詳細には、ＴＶＳダイオード１４０の第１端子は高電圧ライン１０２に電気的に結合され、ＴＶＳダイオード１４０の第２端子は低電圧ライン１０４に電気的に結合されている。ＴＶＳダイオード１４０は、ダイオードのブレークダウン電圧などの閾値電圧を超えたときに導通するように逆バイアスされうる任意の一つ以上のダイオードでありうる。

入力１００ｉが通常電圧状態にあると、ＴＶＳダイオード１４０、電圧リミッタ１１０、およびスイッチ可能な低インピーダンスパス１３０を通る電流は流れない。すなわち、電流は、正端子から高電圧ライン１０２を通り、本質安全負荷ＩＳＬを通り、低電圧ライン１０４を経由して負端子にのみ流れる。この電流の流れが、電流ループＣＬとして図１に示されている。

入力１００ｉが、例えば過渡過電圧状態のような過電圧状態にさらされると、ＴＶＳダイオード１４０は、高電圧ライン１０２と低電圧ライン１０４の間の電圧差を、電圧クランプ値Vclampにクランプするように構成されている。実質的に同時に、電圧リミッタ１１０もまた、入力１００ｉの過電圧状態を検出し、タイマー機能を開始するために遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０に信号を供給するように構成されている。

例えば、電圧リミッタ１１０は、遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０に電圧を印加することができ、この例については、図２を参照しながら以下でより詳細に説明する。この電圧条件が印加されている間、遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０は、所定の遅延時間でありうる一定期間に渡って、電圧が印加されたか否かを判定するタイマー機能を実行することができる。遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０がこの一定期間にわたって電圧が印加された後、遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０は、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０を有効にして、高電圧ライン１０２と低電圧ライン１０４との間で電流を導通させる。

遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０は、入力１００ｉの過電圧状態による電圧を受ける可能性がある。より具体的には、電圧リミッタ１１０は、入力１００ｉの過電圧状態が存在する間、遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０に電圧を与えるように構成することができる。電圧リミッタ１１０によって供給される電圧は、高電圧ライン１０２に印加される過電圧状態の電圧に比例することができる。より具体的には、遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０に印加される電圧は、以下でより詳細に説明するように、例えば、キャパシタまたは複数のキャパシタを充電するために使用することができるが、遅延／ＬＩＰイネーブル回路のタイマー機能を開始し電力を供給するために、任意の適切な信号を使用することができる。

理解されるように、タイマーベースの障害保護回路１００のスケーリングが可能である。すなわち、代替の構成要素の値、トポロジーなどを、より高いまたはより低い電圧の用途に使用することができる。従って、タイマーベースの障害保護回路１００に関連する原理及び手順を使用して、この回路をスケーリングして高電力要求をサポートすることができる。例として、タイマーベースの障害保護回路１００のスケーリングは、例えば、より高電力のＳＣＲ１３０Ｄおよび直列抵抗器１３０Ｒを使用することによって実現することができる。タイマーベースの障害保護回路１００、並びに他のタイマーベースの障害保護回路の例示的な原理及び手順について、以下でより詳細に説明する。

タイマーベースの障害保護回路の詳細な例
図２は、図１を参照して説明したタイマーベースの障害保護回路１００のより詳細な図を示す。図２に示されるように、タイマーベース障害保護回路１００は、入力１００ｉ、高電圧ライン１０２、本質安全負荷ＩＳＬ、及び低電圧ライン１０４を含む。また図２に示すように、タイマーベースの障害保護回路１００は、図１を参照して説明した、電圧リミッタ１１０と、遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０と、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０と、ＴＶＳダイオード１４０とを含む。

図２に示すように、電圧リミッタ１１０は、電圧デバイダ１１２と、第１の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４と、遅延回路スイッチ１１６とを含む。また、図２に示されるように、遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０は、抵抗－キャパシタ（ＲＣ）ネットワーク１２３、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１２４、及びＳＣＲイネーブルスイッチ１２６を備える。スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０は、図１を参照して説明されたＳＣＲ１３０Ｄおよび直列抵抗器１３０Ｒを含むものとして示されている。図１を参照して説明されたＴＶＳダイオード１４０は、図２では四つのＴＶＳダイオードを含むものとして示されているが、より多いまたはより少ないダイオードおよび／または他の要素が使用されてもよい。

電圧デバイダ１１２は、電気的に直列接続された第１抵抗器Ｒ１及び第２抵抗器Ｒ２を備える。第１抵抗器Ｒ１の第１端子は高電圧ライン１０２に電気的に結合され、第１抵抗器Ｒ１の第２端子は第２抵抗器Ｒ２の第１端子に電気的に結合されている。第２抵抗器Ｒ２の第２端子は、低電圧ライン１０４に電気的に結合されている。第１電圧基準Ｖ１は、電圧デバイダ１１２の第１および第２抵抗器Ｒ１、Ｒ２の間にある。

第１の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４は、第３抵抗器Ｒ３を介して高電圧ライン１０２に、および低電圧ライン１０４に電気的に結合されるものとして示されている。すなわち、第１の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４は、入力１００ｉの端子に対して電気的に並列されている。第１の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４はまた、電圧デバイダ１１２の第１および第２抵抗器Ｒ１、Ｒ２の間の第１電圧基準Ｖ１に電気的に結合される、電圧基準Ｖ_ＲＥＦ端子を有しているとして示されている。

遅延回路スイッチ１１６は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）として示されている。特に、図に示されるように、遅延回路スイッチ１１６は、様々なメーカから入手可能なモデルＢＣＸ５２であり、より具体的にはモデルＢＣＸ５２－１６、１１５でありうるが、任意の適切なスイッチを使用することができる。遅延回路スイッチ１１６は、高電圧ライン１０２に電気的に結合されたエミッタと、第３抵抗器Ｒ３及び第４抵抗器Ｒ４に電気的に結合されたベースと、電圧降下抵抗器１２２の第１端子に電気的に結合されたコレクタとを含む。図２に示されるように、第３抵抗器Ｒ３の第２端子および第４抵抗器Ｒ４の第１端子は、遅延回路スイッチ１１６のベースに電気的に結合され、第４抵抗器Ｒ４の第２端子は、第１の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４の第１端子に電気的に結合されている。第１の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４の第２端子は、低電圧ライン１０４に電気的に結合されている。

図２に示すように、電圧降下抵抗器１２２は、遅延回路スイッチ１１６のコレクタに電気的に結合された第１端子を含む。より具体的には、遅延回路スイッチ１１６のコレクタは、第５抵抗器Ｒ５の第１端子に電気的に結合される。図２に示されるように、電圧降下抵抗器１２２は、第５抵抗器Ｒ５からなるものとして示されているが、代替的な電圧降下抵抗器は、複数の抵抗器を含んでいてもよい。

ＲＣネットワーク１２３の第１端子は、電圧降下抵抗器１２２の第２端子に電気的に結合されている。ＲＣネットワーク１２３の第２端子は、低電圧ライン１０４に電気的に結合されている。ＲＣネットワーク１２３は、互いに並列な第６抵抗器Ｒ６およびキャパシタＣを備えるとして図２に示されている。より具体的には、第６抵抗器Ｒ６の第１端子と、キャパシタＣの第１端子とは、互いに電気的に結合されている。さらに、第６抵抗器Ｒ６の第２端子と、キャパシタＣの第２端子とは、低電圧ライン１０４に電気的に結合されている。

また、ＲＣネットワーク１２３の第１端子は、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１２４の電圧基準端子Ｖ_ＲＥＦに電気的に結合されている。第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１２４は、第７抵抗器Ｒ７の第２端子に電気的に結合されている第１端子を含む。第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１２４の第２端子は、低電圧ライン１０４に電気的に結合されている。図２に示されるように、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１２４の第２端子は、低電圧ライン１０４に直接結合されているが、低抵抗パスなどの間接的な電気的結合を採用してもよい。

第８抵抗器Ｒ８の第１端子は、高電圧ライン１０２に電気的に結合されている。第８抵抗器Ｒ８の第２端子は、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６のエミッタに電気的に結合されている。第７抵抗器Ｒ７の第１端子は、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６のベースに電気的に結合されている。ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６は、第８抵抗器Ｒ８を介して高電圧ライン１０２に電気的に結合されたエミッタと、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０に電気的に結合されたコレクタとを含む。ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６は、ＢＪＴとして示されているが、任意の適切なスイッチが採用されてもよい。ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６は、様々なメーカから入手可能なＢＣＸ５２トランジスタとして、図２に示されている。例えば、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６は、ＢＣＸ５２－１６、１１５トランジスタであってもよい。

第９抵抗器Ｒ９の第１端子は、高電圧ライン１０２に電気的に結合される。第９抵抗器Ｒ９の第２端子は、第７抵抗器Ｒ７の第１端子に電気的に結合されている。第７抵抗器Ｒ７および第９抵抗器Ｒ９は、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１２４を高電圧ライン１０２に電気的に結合させている。第９抵抗器Ｒ９の第２端子はまた、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６のベースに電気的に結合されている。理解できるように、第９抵抗器Ｒ９は、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６のベースに電圧を供給する。また理解されるように、この電圧は、以下により詳細に説明されるように、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１２４が電流を伝導するときに低減されうる。

図２に示すように、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０は、図１を参照して説明したＳＣＲ１３０Ｄ及び直列抵抗器１３０Ｒを含む。ＳＣＲ１３０Ｄの第１端子及び第２端子はそれぞれ、高電圧ライン１０２及び低電圧ライン１０４に電気的に結合されている。図３に示されるように、ＳＣＲ１３０Ｄの第２端子は、直列抵抗器１３０Ｒを介して低電圧ライン１０４に電気的に結合されているが、ＳＣＲ１３０Ｄは、低電圧ライン１０４に直接電気的に結合されていてもよい。なお、直列抵抗器１３０Ｒは、第１０抵抗器とも称される。ＳＣＲ１３０Ｄ及び直列抵抗器１３０Ｒは、図２に示すように直列に配置されている。ＳＣＲ１３０Ｄは、例えば、Littelfuse社製のＳＪ６００８Ｄ１ＲＰなどのＳＪ６００８Ｄとして示されているが、任意の適切なシリコン制御整流器、サイリスタなどを採用してもよい。ＳＣＲ１３０Ｄは、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６のコレクタに電気的に結合されたゲートを含む。

上述され、図２に示されたように、ＴＶＳダイオード１４０は、電気的に並列構成に配置された２つの過渡電圧抑制ダイオードで構成される。特に、ＴＶＳダイオード１４０は、Littelfuse社製の二つの５．０ＳＭＤＪダイオードで構成されているように示されているが、任意の適切なＴＶＳダイオードを使用してもよい。ＴＶＳダイオード１４０は、図１を参照して説明したように配置される。より具体的には、ＴＶＳダイオード１４０の第１端子は高電圧ライン１０２に電気的に結合され、ＴＶＳダイオード１４０の第２端子は低電圧ライン１０４に電気的に結合されている。ＴＶＳダイオード１４０は、本質安全負荷ＩＳＬと電気的に並列である。

第１および第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４、１２４は、様々なメーカによって製造されるＴＬ４３１シャントレギュレータでありうるが、任意の適切な調整可能シャントレギュレータを採用してもよい。図２に示されるように、第１および第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４、１２４は、電圧基準端子Ｖ_ＲＥＦを含む。第１および第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４、１２４は、電圧基準端子Ｖ_ＲＥＦの電圧が、第１および第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４、１２４の内部の電圧基準値より大きい場合に、電流を流すことができる。電圧基準端子Ｖ_ＲＥＦの電圧が、第１および第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４、１２４の内部の電圧基準値より小さい場合、第１および第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４、１２４は、導通しないようにすることができる。

例えば、図２に示される電圧リミッタ１１０において、高電圧ライン１０２の電圧が電圧閾値よりも大きく、第１電圧基準Ｖ１値が第１の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４の電圧基準値よりも大きいとき、第１の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４は導通することができる。理解されるように、第１電圧基準Ｖ１は、電圧リミッタ１１０の第１および第２抵抗器Ｒ１、Ｒ２の抵抗値から決定することができる。遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０では、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１２４は、ＲＣネットワーク１２３の第１端子の電圧が第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１２４の電圧基準値よりも大きいときに、導通することができる。

理解されるように、第１の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４が電流を伝導するとき、遅延回路スイッチ１１６のベースにおける電圧は、比較的低い状態または値まで降下し、これにより、遅延回路スイッチ１１６のベースとエミッタとの間の電圧差を増加させる。遅延回路スイッチ１１６のベースとエミッタとの間の電圧差の増加により、遅延回路スイッチ１１６は、遅延回路スイッチ１１６のエミッタとコレクタとの間に電流を流すことができる。この結果、ＲＣネットワーク１２３の第１端子に電圧が印加され、したがって、ＲＣネットワーク１２３のキャパシタＣが充電され始め、遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０のタイマー機能を開始することができる。

同様に、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１２４が電流を流すと、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６のベースの電圧は、低電圧状態または値（例えば、ゼロボルトまたは約ゼロボルト）に降下し、これにより、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６のベースとエミッタとの間の電圧差が増大する。ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６のベースとエミッタとの間の電圧差の増加により、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６は、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６のエミッタとコレクタとの間に電流を流すことができる。これにより、ＳＣＲ１３０Ｄのゲートに、ゲート電圧および電流を印加することができる。

ＳＣＲ１３０Ｄのゲートにゲート電圧および電流が印加されると、ＳＣＲ１３０Ｄは、その第１と第２端子との間に順方向伝導電流を流すことができる。ＳＣＲ１３０Ｄは、ＳＣＲ１３０Ｄのゲートのゲート電圧およびゲート電流がゼロに戻った場合でも、第１および第２端子の間で順方向伝導電流を流し続けることができる。従って、ＳＣＲ１３０Ｄのゲートでのパルスのようなゲート電圧および電流の一時的な増加のみが、ＳＣＲ１３０Ｄを導通させるために必要となりうる。ただし、ＳＣＲ１３０Ｄは、ＳＣＲ１３０Ｄのゲートのゲート電圧が例えばゼロに戻り、第１端子と第２端子との間の電流がＳＣＲ１３０Ｄのホールド電流よりも小さくなると、第１端子と第２端子との間の順方向伝導電流の導通を停止することができる。例えば、ＳＣＲ１３０Ｄの保持電流が非常に低い場合、ＳＣＲ１３０Ｄは、高電圧ライン１０２の電圧がゼロボルトまたは約ゼロボルトになる（例えば、「グランドまで引き下げられる」）まで順方向伝導電流を流し続けることができる。

理解できるように、動作状態または非過電圧状態での高電圧ライン１０２上の電圧に対する直列抵抗器１３０Ｒの計算された電流値は、ゼロまたはＳＣＲ１３０Ｄのラッチ電流よりも小さくすることができる。これに対して、高電圧ライン１０２が過電圧状態にある場合には、直列抵抗器１３０Ｒを通る電流は、ＳＣＲ１３０Ｄのラッチ値より大きくすることができる。したがって、ＳＣＲ１３０Ｄがゲート電圧および電流によって有効にされ順方向伝導電流を流す場合、例えば、高電圧ライン１０２が過電圧条件にさらされた場合、ＳＣＲ１３０Ｄは、順方向伝導電流を流すことができる。

通常動作では、入力１００ｉが過電圧状態にならないと定義できるが、遅延回路スイッチ１１６およびＳＣＲイネーブルスイッチ１２６は電流を流していない。より具体的には、遅延回路スイッチ１１６およびＳＣＲイネーブルスイッチ１２６のベースは、遅延回路スイッチ１１６およびＳＣＲイネーブルスイッチ１２６のそれぞれのエミッタおよびコレクタ間に電流を導通させるのに十分な電圧を有していない。したがって、入力１００ｉが過電圧状態にならない限り、ゲート電圧および電流はＳＣＲ１３０Ｄのゲートに印加されない。

遅延回路スイッチ１１６を参照すると、高電圧ライン１０２が過電圧状態にならない場合、遅延回路スイッチ１１６のエミッタとコレクタとの間に電流が流れないため、ＲＣネットワーク１２３の第１端子に電圧が印加されない。その結果、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１２４の基準電圧端子は、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１２４の基準電圧より低い電圧を有しうる。したがって、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１２４の第１端子の電圧は、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６がそれよりも小さいと電流を流す電圧よりも、大きくなりうる。その結果、高電圧ライン１０２が過電圧状態にならないとき、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０はオープンのままであり、これにより、電流がスイッチ可能な低インピーダンスパス１３０を通って流れるのを防止することができる。より具体的には、ＳＣＲ１３０Ｄは、順方向伝導電流を流さないようにすることができる。

入力１００ｉが過電圧状態にある場合、高電圧ライン１０２の電圧により、第１電圧基準Ｖ１値が第１の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４の内部の電圧基準値よりも大きくなりうる。その結果、遅延回路スイッチ１１６のベースの電圧は、遅延回路スイッチ１１６が遅延回路スイッチ１１６のコレクタとエミッタとの間の電流を流すのに十分な程度に低く（例えば、低電圧状態または値）なりうる。これにより、ＲＣネットワーク１２３の第１端子に電圧が印加されうる。

したがって、ＲＣネットワーク１２３の第１端子の電圧は、時間の経過とともに増加しうる。すなわち、ＲＣネットワーク１２３のキャパシタＣは、高電圧ライン１０２が過電圧状態にあるときに充電することができる。ＲＣネットワーク１２３の第１端子の電圧が、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１２４の電圧基準値よりも大きい場合、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１２４は導通することができ、これにより、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６は、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６のエミッタとコレクタとの間で電流を導通させうる。

結果として、高電圧ライン１０２の過電圧状態により、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０はクローズし、これにより、比較的高い順方向伝導電流が、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０を通って流れることが可能となる。より具体的には、ＳＣＲ１３０Ｄが導通し、これにより、順方向伝導電流が、ＳＣＲ１３０Ｄおよび直列抵抗器１３０Ｒを介して高電圧ライン１０２から低電圧ライン１０４へ流れることができる。

スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０を通る高い順方向伝導電流により、高電圧ライン１０２の電圧値は減少または低下する可能性がある。例えば、高電圧ライン１０２の過電圧状態が、高電圧ライン１０２に印加されている過渡電圧によるものである場合、高電圧ライン１０２の電圧値は、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０を通る順方向伝導電流によって減少しうる。また、理解されるように、高電圧ライン１０２の電圧値の減少によって、遅延回路スイッチ１１６がオープン状態になり、これにより、ＲＣネットワーク１２３に電流が流れないようにすることができる。

その結果、キャパシタＣは、第６抵抗器Ｒ６を介して、例えばグランドである低電圧ライン１０４に、放電することができる。これにより、ＲＣネットワーク１２３の第１端子の電圧値が時間とともに減少しうる。ＲＣネットワーク１２３の第１端子の電圧が、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ１２４の電圧基準値Ｖ_ＲＥＦよりも小さい電圧値まで低下すると、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６がオープンとなり、これにより、ＳＣＲ１３０Ｄのゲートからゲート電圧および電流をなくすことができる。ただし、ＳＣＲ１３０Ｄは、上で説明したように、高電圧ライン１０２がゼロボルトになる（例えば、グラウンドに引き下げられる）まで順方向伝導電流を流し続けることができる。

理解できるように、タイマーベースの障害保護回路を実装する様々な可能な方法が存在する。上述のタイマーベースの障害保護回路１００は、比較的少ない部品を使用するため有利である場合がある。ただし、以下の例が示すように、異なる構成要素および／またはトポロジーを使用する、他のタイマーベースの障害保護回路を使用することができる。

タイマーベースの障害保護回路の他の詳細な例
図３は、他のタイマーベースの障害保護回路３００を示す。図３に示されるように、タイマーベースの障害保護回路３００は、入力３００ｉ、高電圧ライン３０２、本質安全負荷ＩＳＬ、及び低電圧ライン３０４を含み、これらはそれぞれ、図２を参照して上述した入力１００ｉ、高電圧ライン１０２、本質安全負荷ＩＳＬ、及び低電圧ライン１０４に対応している。また、図３に示されるように、タイマーベースの障害保護回路３００は、電圧リミッタ３１０、遅延／ＬＩＰイネーブル回路３２０、スイッチ可能な低インピーダンスパス３３０及びＴＶＳダイオード３４０を含み、これらはそれぞれ、図２を参照して説明した電圧リミッタ１１０、遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０及びＴＶＳダイオード１４０に対応している。図２に示されるタイマーベースの障害保護回路１００とは対照的に、図３のＴＶＳダイオード３４０は、本質安全負荷ＩＳＬの近くに示されている。

図３に示されるように、電圧リミッタ３１０は、電圧デバイダ３１２、第１の電圧調整可能シャントレギュレータ３１４、及び遅延回路スイッチ３１６を含む。また、図３に示されるように、遅延／ＬＩＰイネーブル回路３２０は、抵抗器－キャパシタ（ＲＣ）ネットワーク３２３、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３２４、及びＳＣＲイネーブルスイッチ３２６を備える。スイッチ可能な低インピーダンスパス３３０は、図１を参照して説明したＳＣＲ３３０Ｄおよび直列抵抗器３３０Ｒを含むものとして、示されている。図１を参照して説明したＴＶＳダイオード１４０は、四つのＴＶＳダイオードを含むものとして図３に示されているが、より多いまたはより少ないダイオードおよび／または他の要素を採用してもよい。

電圧デバイダ３１２は、電気的に直列接続された第１抵抗器Ｒ１及び第２抵抗器Ｒ２を備える。第１抵抗器Ｒ１の第１端子は高電圧ライン３０２に電気的に結合され、第１抵抗器Ｒ１の第２端子は第２抵抗器Ｒ２の第１端子に電気的に結合される。第２抵抗器Ｒ２の第２端子は、低電圧ライン３０４に電気的に結合される。第１電圧基準Ｖ１は、電圧デバイダ３１２の第１および第２抵抗器Ｒ１、Ｒ２の間にある。

第１の電圧調整可能シャントレギュレータ３１４は、第３抵抗器Ｒ３を介して高電圧ライン３０２と、低電圧ライン３０４とに電気的に結合されるものとして示されている。したがって、第１の電圧調整可能シャントレギュレータ３１４は、入力３００ｉの端子に対して電気的に並列である。第１の電圧調整可能シャントレギュレータ３１４はまた、電圧デバイダ３１２の第１と第２抵抗器Ｒ１、Ｒ２の間の第１電圧基準Ｖ１に電気的に結合された、電圧基準Ｖ_ＲＥＦ端子を有しているとして示されている。

遅延回路スイッチ３１６は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、特に、様々なメーカから入手可能なモデルＢＣ８５７として示されているが、任意の適切なスイッチを採用してもよい。遅延回路スイッチ３１６は、高電圧ライン３０２に電気的に結合されたエミッタと、第４抵抗器Ｒ４に電気的に結合されたベースと、電圧降下抵抗器３２２の第１端子に電気的に結合されたコレクタとを含む。図３に示されるように、第４抵抗器Ｒ４の第１端子は遅延回路スイッチ３１６のベースに電気的に結合され、第４抵抗器Ｒ４の第２端子は第３抵抗器Ｒ３の第２端子に電気的に結合されている。

図３に示されるように、電圧降下抵抗器３２２は、遅延回路スイッチ３１６のコレクタに電気的に結合された第１端子を含む。より具体的には、遅延回路スイッチ３１６のコレクタは、第５抵抗器Ｒ５の第１端子に電気的に結合されている。第５抵抗器Ｒ５、第６抵抗器Ｒ６、及び第７抵抗器Ｒ７は、互いに電気的に直列に結合されている。

遅延回路スイッチ３１６のコレクタはまた、第９抵抗器Ｒ９に電気的に結合されている。より具体的には、第９抵抗器Ｒ９は、遅延回路スイッチ３１６のコレクタに電気的に結合された第１端子と、低電圧ライン３０４に電気的に結合された第２端子とを有する。したがって、電圧降下抵抗器３２２も、第９抵抗器Ｒ９と並列に電気的に結合されている。

ＲＣネットワーク３２３の第１端子は、電圧降下抵抗器３２２の第２端子に電気的に結合されている。ＲＣネットワーク３２３の第２端子は、低電圧ライン３０４に電気的に結合されている。ＲＣネットワーク３２３は、互いに電気的に並列な第８抵抗器Ｒ８、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２を備えるように、図３に示されている。より具体的には、第８抵抗器Ｒ８、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２の第１端子は、電気的に結合されている。さらに、第８抵抗器Ｒ８、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２の第２端子は、低電圧ライン３０４に電気的に結合されている。

また、ＲＣネットワーク３２３の第１端子は、基準端子抵抗器Ｒ_ＲＥＦを介して、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３２４の電圧基準端子Ｖ_ＲＥＦに電気的に結合されている。第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３２４は、第１０および第１１抵抗器Ｒ１０、Ｒ１１の第２端子に電気的に結合される第１端子を含む。第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３２４の第２端子は、低電圧ライン３０４に電気的に結合されている。図３に示されるように、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３２４の第２端子は、低電圧ライン３０４に直接結合されるが、低抵抗パスなどの間接的な電気的結合を採用してもよい。

第１０抵抗器Ｒ１０の第１端子は、高電圧ライン３０２に電気的に結合されている。第１１抵抗器Ｒ１１の第１端子は、ＳＣＲイネーブルスイッチ３２６のベースに電気的に結合されている。ＳＣＲイネーブルスイッチ３２６は、高電圧ライン３０２に電気的に結合されたエミッタと、第１２抵抗器Ｒ１２の第１端子に電気的に結合されたコレクタとを含む。第１２抵抗器Ｒ１２の第２端子は、スイッチ可能な低インピーダンスパス３３０に電気的に結合されている。

図３に示されるように、スイッチ可能な低インピーダンスパス３３０は、図１を参照して説明したＳＣＲ１３０Ｄ及び直列抵抗器１３０Ｒにそれぞれ対応するＳＣＲ３３０Ｄ及び直列抵抗器３３０Ｒを含む。ＳＣＲ３３０Ｄの第１端子及び第２端子はそれぞれ、高電圧ライン３０２及び低電圧ライン３０４に電気的に結合されている。ＳＣＲ３３０Ｄは低電圧ライン３０４に直接電気的に結合することができるが、図３に示すように、ＳＣＲ３３０の第２端子は直列抵抗器３３０Ｒを介して低電圧ライン３０４に電気的に結合されている。なお、直列抵抗器３３０Ｒは、第１３抵抗器とも称される。ＳＣＲ３３０Ｄと直列抵抗器３３０Ｒとは、図１に示すように直列に配置されている。ＳＣＲ３３０Ｄは、例えば、STMicroelectronics社製のＴＳ４２０－６００Ｂ－ＴＲＳＣＲなどのＴＳ４２０ＳＣＲであるとして示されているが、任意の適切なシリコン制御整流器またはサイリスタを使用してもよい。ＳＣＲ３３０Ｄは、第１２抵抗器Ｒ１２の第２端子に電気的に結合されたゲートを含む。第１２抵抗器Ｒ１２の第１端子は、ＳＣＲイネーブルスイッチ３２６のコレクタに、電気的に結合されている。

上述され、図３に示されるように、ＴＶＳダイオード３４０は、四つの過渡電圧シャントダイオードを備えている。特に、ＴＶＳダイオード３４０は、Littelfuse社製の四つの５ＫＰ６ＴＶＳダイオードで構成されているものとして示されている。四つの５ＫＰ６ＴＶＳダイオードは直列であるが、任意の適切な回路を使用することもできる。ＴＶＳダイオード３４０は、図１を参照して説明したＴＶＳダイオード１４０と同様に配置されている。より具体的には、ＴＶＳダイオード３４０の第１端子は、高電圧ライン３０２に電気的に結合され、ＴＶＳダイオード３４０の第２端子は、低電圧ライン３０４に電気的に結合されている。ＴＶＳダイオード３４０は、本質安全負荷ＩＳＬと電気的に並列である。

第１および第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３１４、３２４は、Texas Instruments社製のＴＬＶ４３１シャントレギュレータとすることができるが、任意の適切な調整可能シャントレギュレータが使用できる。図３に示されるように、第１および第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３１４、３２４は、第１および第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３１４、３２４の電圧基準端子Ｖ_ＲＥＦを含む。第１および第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３１４、３２４は、電圧基準端子Ｖ_ＲＥＦの電圧が、第１および第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３１４、３２４の内部の電圧基準値より大きい場合、電流を導通することができる。電圧基準端子Ｖ_ＲＥＦの電圧が、第１および第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３１４、３２４の内部の電圧基準値より小さい場合、第１および第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３１４、３２４は、導通しないようにすることができる。

例えば、図３に示される電圧リミッタ３１０において、高電圧ライン３０２の電圧が電圧閾値よりも大きく、第１電圧基準Ｖ１値が第１の電圧調整可能シャントレギュレータ３１４の電圧基準値よりも大きいとき、第１の電圧調整可能シャントレギュレータ３１４は導通することができる。理解されるように、第１電圧基準Ｖ１値は、電圧リミッタ３１０の第１および第２抵抗器Ｒ１、Ｒ２の抵抗値から決定されうる。遅延／ＬＩＰイネーブル回路３２０では、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３２４は、ＲＣネットワーク３２３の第１端子の電圧が第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３２４の電圧基準値よりも大きいときに、導通することができる。

理解されるように、第１の電圧調整可能シャントレギュレータ３１４が電流を導通すると、遅延回路スイッチ３１６のベースの電圧は、低い状態または値（例えば、ゼロボルトまたは約ゼロボルト）まで低下し、これにより、遅延回路スイッチ３１６のベースとエミッタとの間の電圧差が増大する。遅延回路スイッチ３１６のベースとエミッタとの間の電圧差が増大すると、遅延回路スイッチ３１６は、遅延回路スイッチ３１６のエミッタとコレクタとの間の電流を導通させることができる。これにより、ＲＣネットワークの第１端子に電圧が印加され、ＲＣネットワーク３２３の第１および第２キャパシタＣ１、Ｃ２が充電され始め、遅延／ＬＩＰイネーブル回路３２０のタイマー機能を開始させることができる。

同様に、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３２４が電流を導通すると、ＳＣＲイネーブルスイッチ３２６のベースの電圧は、低電圧状態または値（例えば、ゼロボルトまたは約ゼロボルト）まで低下し、これにより、ＳＣＲイネーブルスイッチ３２６のベースとエミッタとの間の電圧差が増大する。ＳＣＲイネーブルスイッチ３２６のベースとエミッタとの間の電圧差が増大すると、ＳＣＲイネーブルスイッチ３２６は、ＳＣＲイネーブルスイッチ３２６のエミッタとコレクタとの間の電流を導通させることができる。これにより、ＳＣＲ１３０Ｄのゲートにゲート電圧および電流を印加することができる。

ＳＣＲ３３０Ｄのゲートにゲート電圧および電流が印加されると、ＳＣＲ３３０Ｄは、その第１と第２端子との間に順方向伝導電流を流すことができる。ＳＣＲ３３０Ｄは、ゲートでのゲート電圧およびゲート電流がゼロに戻った場合でも、第１および第２端子の間で順方向伝導電流を流し続けることができる。従って、ゲートでのパルスのようなゲート電圧および電流の一時的な増加のみが、ＳＣＲ３３０Ｄを導通させるために必要となりうる。ただし、ＳＣＲ３３０Ｄは、ゲートのゲート電圧および電流が例えばゼロに戻り、第１端子と第２端子との間の順方向伝導電流がＳＣＲ３３０Ｄのホールド電流より小さくなると、第１端子と第２端子との間の順方向伝導電流の導通を停止することができる。

理解されるように、動作条件または非過電圧状態における高電圧ライン３０２の電圧に対する直列抵抗器３３０Ｒの計算された電流値は、ゼロまたはＳＣＲ３３０Ｄのラッチ値よりも小さくなりうる。対照的に、高電圧ライン３０２が過電圧状態にある場合、直列抵抗器３３０Ｒを通る電流は、ＳＣＲ３３０Ｄのラッチ値より大きくなりうる。したがって、ＳＣＲ３３０Ｄが順方向伝導電流を伝導する電圧になって有効になる場合、例えば、高電圧ライン３０２が過電圧状態となっている場合、ＳＣＲ３３０Ｄは、順方向伝導電流を流すことができる。

通常動作では、入力３００ｉが過電圧状態にならないと定義できるが、遅延回路スイッチ３１６およびＳＣＲイネーブルスイッチ３２６は、電流を導通していない。より具体的には、遅延回路スイッチ３１６およびＳＣＲイネーブルスイッチ３２６のベースは、遅延回路スイッチ３１６およびＳＣＲイネーブルスイッチ３２６のそれぞれのエミッタおよびコレクタ間に電流を導通させるのに十分な電圧を有していない。

遅延回路スイッチ３１６を参照すると、高電圧ライン３０２が過電圧状態にならないとき、遅延回路スイッチ３１６のエミッタとコレクタとの間に電流が流れないため、ＲＣネットワーク３２３の第１端子に電圧が印加されない。その結果、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３２４の基準電圧端子は、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３２４の基準電圧より低い電圧を有しうる。したがって、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３２４の第１端子の電圧は、ＳＣＲイネーブルスイッチ３２６がそれよりも小さいと電流を流す電圧よりも、大きくなりうる。その結果、高電圧ライン３０２が過電圧状態にならないとき、スイッチ可能な低インピーダンスパス３３０はオープンのままであり、これにより、電流がスイッチ可能な低インピーダンスパス３３０を通って流れるのを防止することができる。より具体的には、ＳＣＲ３３０Ｄは、順方向伝導電流を流さないようにすることができる。

入力３００ｉが過電圧状態にある場合、高電圧ライン３０２の電圧により、第１電圧基準Ｖ１値は第１の電圧調整可能シャントレギュレータ３１４に内部の電圧基準値よりも大きくなりうる。その結果、遅延回路スイッチ３１６のベースの電圧は、遅延回路スイッチ３１６が遅延回路スイッチ３１６のコレクタとエミッタとの間の電流を流すのに十分な程度に低く（例えば、低電圧状態または値）なりうる。これにより、ＲＣネットワーク３２３の第１端子に電圧が印加されうる。

したがって、ＲＣネットワーク３２３の第１端子の電圧は、時間の経過とともに増加しうる。すなわち、ＲＣネットワーク３２３の第１および第２キャパシタＣ１、Ｃ２は、高電圧ライン３０２が過電圧状態にあるときに充電することができる。ＲＣネットワーク３２３の第１端子の電圧が、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３２４の電圧基準値よりも大きい場合、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３２４は導通することができ、これにより、ＳＣＲイネーブルスイッチ３２６は、ＳＣＲイネーブルスイッチ３２６のエミッタとコレクタとの間で電流を導通させうる。

結果として、高電圧ライン３０２の過電圧状態により、スイッチ可能な低インピーダンスパス３３０はクローズし、これにより、順方向伝導電流が、スイッチ可能な低インピーダンスパス３３０を通って流れることが可能となる。より具体的には、ＳＣＲ３３０Ｄが導通し、これにより、順方向伝導電流が、ＳＣＲ３３０Ｄおよび直列抵抗器３３０Ｒを介して、高電圧ライン３０２から低電圧ライン３０４へ流れることができる。

スイッチ可能な低インピーダンスパス３３０を通る高い順方向伝導電流により、高電圧ライン３０２の電圧値は減少または低下する可能性がある。例えば、高電圧ライン３０２の過電圧状態が、高電圧ライン３０２に印加されている過渡電圧によるものである場合、高電圧ライン３０２の電圧値は、スイッチ可能な低インピーダンスパス３３０を通る順方向伝導電流によって減少しうる。また、理解されるように、高電圧ライン３０２の電圧値の減少によって、遅延回路スイッチ３１６がオープン状態になり、これにより、ＲＣネットワーク３２３に電流が流れないようにすることができる。

その結果、第１及び第２キャパシタＣ１、Ｃ２は、第８抵抗器Ｒ８を介して、例えばグラウンドである低電圧ライン３０４に、放電することができる。これにより、ＲＣネットワーク３２３の第１端子の電圧値が時間とともに減少しうる。第１端子の電圧が、第２の電圧調整可能シャントレギュレータ３２４の電圧基準値Ｖ_ＲＥＦよりも小さい電圧値まで減少すると、ＳＣＲイネーブルスイッチ３２６がオープンとなり、これにより、ＳＣＲ３３０Ｄのゲートからゲート電圧および電流をなくすことができる。ただし、ＳＣＲ３３０Ｄは、上で説明したように、高電圧ライン１０２がゼロボルトになる（例えば、グラウンドに引き下げられる）まで順方向伝導電流を流し続けることができる。

タイマーベースの保護回路の動作
理解されるように、電圧リミッタ１１０、３１０、遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０、３２０、及びスイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０は、電流がＴＶＳダイオード１４０、３４０を所定の期間にわたって流れることができるように、共同で動作することができる。この所定の期間は、ＴＶＳダイオード１４０、３４０が壊滅的な故障を起こさないことを確実にするように、選択することができる。例えば、一連のイベントは、以下の通りとすることができる。入力１００ｉ、３００ｉに過電圧状態が印加されると、電圧リミッタ１１０、３１０が遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０、３２０のタイマー機能を有効にすることを可能にする。

したがって、電圧リミッタ１１０、３１０および遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０、３２０は、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０をトリガする前に遅延を要求し、これによりスイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０の誤ったトリガを防止することができる。ＲＣネットワーク１２３、３２３の一つまたは複数のキャパシタの充電時間またはその近辺である所定の期間の経過後、遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０、３２０は、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０に信号を提供することができる。この信号により、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０は、高電圧ライン１０２、３０２と低電圧ライン１０４、３０４との間に順方向伝導電流を流すことができる。その結果、高電圧ライン１０２、３０２の電圧値は、電圧リミッタ１１０、３１０が遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０、３２０に電圧を印加しなくなる値まで、減少または降下することができる。その結果、遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０、３２０は、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０に信号を印加しなくなりうる。

ただし、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０が信号を受信しなくなった場合においても、高電圧ライン１０２、３０２と低電圧ライン１０４、３０４との間の電流が、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０の保持電流よりも大きい限り、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０は、依然として順方向伝導電流を流すことができる。スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０を通る順方向伝導電流は、低インピーダンスパス１３０、３３０の保持電流に応じて、入力１００ｉ、３００ｉが過電圧状態である、または何らかの電圧を受けている限り、保持電流よりも大きくなる可能性がある。

また理解されるように、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０が導通している間に、ＴＶＳダイオード１４０、３４０を介して電流が流れていない可能性がある。すなわち、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０が電流を流す電圧値は、ＴＶＳダイオード１４０、３４０に電流を流すのに必要な電圧値（例えば、ブレークダウン電圧）より小さい可能性がある。上記のタイミングについては、図４を参照して以下でより詳細に説明される。

例示的なタイミング図
図４は、図１から図３を参照して上で説明したタイマーベースの障害保護回路１００、３００などの、タイマーベースの障害保護回路のタイミングを示すタイミング図４００を示す。図３に示されるように、タイミング図４００は、ミリ秒（ｍｓ）単位の時間軸４１０と、ボルト（Ｖ）単位の電圧軸４２０とを含む。時間軸４１０のスケールは、主ラインの区切り毎に１００ｍｓである。時間軸４１０は、１０個の主ラインの区切りを有する。したがって、時間軸４１０の範囲は、１０００ｍｓまたは１秒である。電圧軸のスケールは、チャンネルに依存しており、各チャンネルは、タイミング図４００の左側のチャンネル番号付き矢印によって、タイミング図上に示されている。電圧スケールは、チャンネル１Ｃｈ１が２．００Ｖ、チャンネル２Ｃｈ２が５．００Ｖ、チャンネル３Ｃｈ３が１０．０Ｖである。

タイミング図４００は、タイマーキャパシタ電圧プロット４３２と、ＳＣＲ直列抵抗器電圧プロット４３４と、供給ライン電圧プロット４３６とを含む、電圧プロット４３０も含む。タイマーキャパシタ電圧プロット４３２は、チャンネル１Ｃｈ１に関連付けられ、ＳＣＲ直列抵抗器電圧プロット４３４は、チャンネル２Ｃｈ２に関連付けられ、供給ライン電圧プロット４３６は、チャンネル３Ｃｈ３に関連付けられている。０ｍｓから約３００ｍｓまで、タイマーキャパシタ電圧プロット４３２は、ほぼゼロボルトである。約３００ｍｓから約６００ｍｓまで、タイマーキャパシタ電圧プロット４３２は、ゼロから約１．８８Ｖまで増加する。約３００ｍｓから約６００ｍｓまでの期間は、以下でより詳細に説明するように、上述したタイマーベースの障害保護回路１００、３００の機能を示している。

時刻Ｔ１から時刻Ｔ２まで、２２Ｖの通常動作電圧が、タイマーベースの障害保護回路１００、３００の入力１００ｉ、３００ｉに印加される。従って、供給ライン電圧プロット４３６は２２Ｖのままである。同様に、タイマーキャパシタ電圧プロット４３２はゼロのままであり、電圧リミッタ１１０、３１０がＲＣネットワーク１２３、３２３の第１端子に電圧をまだ印加し始めていないことを示している。これは、基準電圧Ｖ１が、第１の電圧調整可能シャントレギュレータ１１４、３１４の内部の電圧基準値をまだ超えていないためである。

時刻Ｔ２からＴ３まで、入力１００ｉ、３００iに印加されている３２Ｖの故障電圧のために、供給ライン電圧プロット３３６は、２２Ｖから約２９Ｖまで増加する。すなわち、ＴＶＳダイオード１４０、３４０は、高電圧ライン１０２、３０２の電圧がＴＶＳダイオード１４０、３４０のブレークダウン電圧などの閾値電圧を超えることを防止している。ただし、ＴＶＳダイオード１４０、３４０は、そのために大量の電流を流す必要がある場合がある。ＴＶＳダイオード１４０、３４０は、過渡的または非常に短い持続時間の高電圧イベントを防止するのには適しているが、過渡的イベント期間よりも長い過電圧状態の間電流を流すには、例えばＳＣＲ、サイリスタ等ほどには、適していない場合がある。例えば、ＴＶＳダイオード１４０、３４０は、電流を数秒間以上流すと、故障する傾向がある。したがって、これが発生するのを防止するために、以下に説明されるタイミングが使用されうるが、任意の適切なタイミングおよびタイマーベースの障害保護回路を使用することができる。

時刻Ｔ２において３２Ｖの故障電圧が印加された直後に、タイマーキャパシタ電圧プロット４３２は、ゼロボルトから増加し始める。これは、電圧リミッタ１１０、３１０が遅延回路スイッチ１１６、３１６に電圧を印加し、これによりＲＣネットワーク１２３、３２３の第１端子に充電電流が流れることに起因する。時刻Ｔ３では、供給ライン電圧プロット４３６は、ＴＶＳダイオード１４０、３４０がブレークダウン電圧で導通するため、約２９Ｖのレベルを示す。

時刻Ｔ３からＴ４まで、供給ライン電圧プロット４３６は約２９Ｖのままで、タイマーキャパシタ電圧プロット４３２は増加し続ける。これは、遅延回路スイッチ１１６が、ＲＣネットワーク１２３、３２３の第１端子に電圧を印加し続けることによる。ＳＣＲ直列抵抗器電圧プロット４３４は、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６、３２６がＳＣＲ１３０Ｄ、３３０Ｄを有効にしていないので、ゼロボルトのままである。

時刻Ｔ４において、ＲＣネットワーク１２３、３２３の第１端子の電圧は、第２の電圧調整可能なシャントレギュレータ１２４、３２４をクローズさせ、これにより、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６、３２６が、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０をクローズさせることができる。これにより、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０を通して電流が流れる。より具体的には、ＳＣＲイネーブルスイッチ１２６、３２６は、ＳＣＲ１３０Ｄ、３３０Ｄのゲートに非ゼロのゲート電圧および十分なゲート電流を印加し、これによりＳＣＲ１３０Ｄ、３３０Ｄを導通させる。

その結果、時刻Ｔ４において、供給ライン電圧プロット４３６は、２９Ｖから約７Ｖに低下する。実質的に同時に、ＳＣＲ直列抵抗器電圧プロット４３４は、ゼロボルトから約７ボルトまで増加する。これは、ＳＣＲ１３０Ｄ、３３０Ｄが直列抵抗器１３０Ｒ、３３０Ｒを介して電流を流しているためである。したがって、以下の方法５００は、タイマーベースの障害保護回路１００、３００、または別の同様のタイマーベースの障害保護回路を使用して実行することができる。

図５は、タイマーベースの障害保護回路を形成する方法５００を示す。図５に示されるように、方法５００は、ステップ５１０で電圧リミッタ及び遅延／ＬＩＰイネーブル回路を、本質安全負荷に電気的に並列に、高電圧ライン及び低電圧ラインに電気的に結合することによって開始する。ステップ５２０において、方法５００は、スイッチ可能な低インピーダンスパスを、本質安全負荷に対してシャント構成で、高電圧ライン及び低電圧ラインに電気的に結合する。ステップ５３０において、方法５００は、電圧リミッタを遅延／ＬＩＰイネーブル回路に通信可能に結合し、電圧リミッタが遅延／ＬＩＰイネーブル回路に信号を供給するように構成する。ステップ５４０において、方法５００は、遅延／ＬＩＰイネーブル回路をスイッチ可能な低インピーダンスパスに通信可能に結合し、遅延／ＬＩＰイネーブル回路がスイッチ可能な低インピーダンスパスに信号を供給するように構成する。ステップ５５０において、方法５００は、遅延／ＬＩＰイネーブル回路がスイッチ可能な低インピーダンスパスに信号を供給するように構成することができる。

方法５００は、本質安全負荷の第１端子に電気的に結合するように高電圧ラインを構成し、及び／又は本質安全負荷の第２端子に電気的に結合するように低電圧ラインを構成することもできる。例えば、方法５００は、端子、リード線、コネクタ、別の線などを高電圧ラインおよび／または低電圧ラインの端部に取り付けることができる。さらに、方法５００は、過渡電圧抑制ダイオードの第１端子を高電圧ラインに、第２端子を低電圧ラインに電気的に結合することをさらに含むことができる。過渡電圧抑制ダイオードは、高電圧ラインの電圧が過渡電圧抑制ダイオードのブレークダウン電圧よりも大きい場合に、前記高電圧ラインと前記低電圧ラインとの間に電流を流すように構成することができる。方法５００の過渡電圧抑制ダイオードは、上述のＴＶＳダイオード１４０、３４０であってもよいが、任意の適切な過渡電圧ダイオードを採用してもよい。

方法５００はまた、遅延／ＬＩＰイネーブル回路から信号を受信したときに、過渡電圧抑制ダイオードのブレークダウン電圧よりも低い電圧で、高電圧ラインと低電圧ラインとの間に電流を流すように、スイッチ可能な低インピーダンスパスを構成するステップを含むことができる。方法５００は、低電圧ラインの電圧に対する高電圧ラインの電圧を検知し、低電圧ラインの電圧に対する高電圧ラインの電圧が過電圧閾値より大きい場合に、遅延／ＬＩＰイネーブル回路に信号を供給するように電圧リミッタを構成することもできる。方法５００は、電圧リミッタから信号を受信し、その信号を電圧リミッタから受信したときに遅延／ＬＩＰイネーブル回路のタイマー機能を開始し、タイマー機能が遅延閾値に達したときに、信号をスイッチ可能な低インピーダンスパスに供給するように、遅延／ＬＩＰイネーブル回路を構成することもできる。

方法５００は、ステップ５１０において、任意の適切な電圧リミッタを高電圧ライン及び低電圧ラインに結合することができる。例えば、方法５００の電圧リミッタは、上述の電圧リミッタ１１０、３１０であってもよい。従って、方法５００の電圧リミッタは、高電圧ラインに電気的に結合された第１端子と低電圧ラインに電気的に結合された第２端子とを有する電圧デバイダを含むことができる。電圧デバイダは、低電圧ラインの電圧に対する高電圧ラインの電圧に基づいて、基準電圧を供給するように構成することができる。方法５００の電圧リミッタは、高電圧ラインに電気的に結合された第１端子と、低電圧ラインに電気的に結合された第２端子と、基準電圧を受信するように構成された電圧基準端子とを備える、第１の電圧調整可能シャントレギュレータを備えることができる。第１の電圧調整可能シャントレギュレータは、基準電圧に基づいて電流を導通させるように構成することができる。

方法５００は、ステップ５１０において、任意の適切な遅延／ＬＩＰイネーブル回路を高電圧ライン及び低電圧ラインに結合することもできる。例えば、方法５００の遅延／ＬＩＰイネーブル回路は、上述した遅延／ＬＩＰイネーブル回路１２０、３２０のうちの一つを含むことができる。したがって、方法５００の遅延／ＬＩＰイネーブル回路は、電圧リミッタから信号を受信し、電圧リミッタからの信号を使用してＲＣネットワーク内の一つ以上のキャパシタを電圧まで充電するように構成されたＲＣネットワークと、ＲＣネットワークに電気的に結合され、ＲＣネットワーク内の一つ以上のキャパシタの前記電圧を受信し、ＲＣネットワークの一つ以上のキャパシタの前記電圧に基づいて電流を導通するように構成された第２の電圧調整可能シャントレギュレータと、第２の電圧調整可能シャントレギュレータに電気的に結合されたＳＣＲイネーブルスイッチとを備えることができる。ＳＣＲイネーブルスイッチは、第２の電圧調整可能シャントレギュレータが電流を流すときに、スイッチ可能な低インピーダンスパスに信号を供給するように構成される。

第２の電圧調整可能シャントレギュレータは、高電圧ライン及びＳＣＲイネーブルスイッチのベース端子に電気的に結合された第１端子と、低電圧ラインに電気的に結合された第２端子と、ＲＣネットワークの一つ以上のキャパシタの電圧を受けるように構成された基準電圧端子と、を備えることができる。第２の電圧調整可能シャントレギュレータは、ＲＣネットワークの一つ以上のキャパシタの電圧に比例して、高電圧ラインから低電圧ラインへ電流を流すように構成される。

ステップ５２０のスイッチ可能な低インピーダンスパスは、高電圧ラインに電気的に結合された第１端子と、低電圧ラインに電気的に結合された第２端子と、遅延／ＬＩＰイネーブル回路から信号を受信するようにＳＣＲイネーブルスイッチに電気的に結合されたゲートと、を有するＳＣＲを備えることができる。ＳＣＲは、遅延／ＬＩＰイネーブル回路からの信号がゲート閾値を超えたとき、高電圧ラインと低電圧ラインとの間で順方向伝導電流を流すように構成することができる。遅延／ＬＩＰイネーブル回路から受信される信号は、ＳＣＲを安全かつ十分にトリガすることができるゲート閾値を超えるゲート電圧および電流を含むことができる。

上述のタイマーベースの障害保護回路１００、３００及び方法５００は、一定期間又は遅延後に、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０が、高電圧ライン１０２、３０２と低電圧ライン１０４、３０４との間で順方向伝導電流を流すことを可能にすることができる。一定期間は、過電圧状態が高電圧ラインに印加された時点からとすることができる。一定期間または遅延は、例えば、上述のＲＣネットワーク１２３、３２３のキャパシタンス値を選択することによって、構成可能とすることができる。スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０は、高電圧ライン１０２、３０２および低電圧ラインに電気的に結合されたＴＶＳダイオード１４０、３４０のブレークダウン電圧未満の電圧値で、順方向伝導電流を流すことができる。

その結果、ＴＶＳダイオード１４０、３４０は、一定期間または遅延より長い間、電流にさらされることはない。一定期間または遅延は、過電圧状態が、例えば、過電圧状態の電圧に対するＴＶＳダイオード１４０、３４０の定格期間よりも長い間、ＴＶＳダイオード１４０、３４０を通る電流を発生させないことを確実にするように、選択することができる。さらに、タイマーベースの障害保護回路１００、３００は、過電圧状態が終了した後、スイッチ可能な低インピーダンスパス１３０、３３０が電流を導通しない通常動作状態に自動的に戻る。これにより、高電圧ラインから低電圧ラインへの唯一のリターンパスが、本質安全負荷ＩＳＬを経由したものであることを保証することができる。

従って、タイマーベースの障害保護回路１００、３００及び方法５００は、様々な過電圧状態に対する適切な保護を保証すると同時に、このような保護を提供する場合に必要な干渉の量及び抵抗損失を最小限に抑えることができる。また、タイマーベースの障害保護回路１００、３００、および方法５００は、過電圧状態が存在する間に必要とされる消費電力を最小限に抑えることもできる。したがって、必要とされるフォームファクタのサイズ及びコストは、例えば、高ワットのツェナーダイオードのみの回路の場合よりも小さくすることができる。

上記の実施形態の詳細な説明は、本明細書の範囲内にあると本発明者らによって考えられるすべての実施形態の網羅的な説明ではない。実際、当業者は、上記の実施形態の特定の要素を様々に組み合わせたり削除したりして、さらなる実施形態を作成できること、及びそのようなさらなる実施形態は、本明細書の範囲および教示の範囲内に入ることを認識するであろう。また、当業者には、上記の実施形態を全体的または部分的に組み合わせて、本明細書の範囲および教示内で追加の実施形態を作成できることも、明らかであろう。

したがって、特定の実施形態は、例示の目的のために本明細書に記載されているが、当業者であれば認識するように、本明細書の範囲内で様々な同等の変更が可能である。本明細書で提供される教示は、上述され、添付の図面に示される実施形態だけでなく、タイマーベースの障害保護回路に適用することができる。したがって、上述の実施形態の範囲は、以下の特許請求の範囲から決定されるべきである。

Claims

タイマーベースの障害保護回路（１００、３００）であって、
本質安全負荷（ＩＳＬ）の第１端子に電気的に結合するように構成された高電圧ライン（１０２、３０２）、
前記本質安全負荷（ＩＳＬ）の第２端子に電気的に結合するように構成された低電圧ライン（１０４、３０４）、
前記本質安全負荷（ＩＳＬ）に対して電気的に並列に、前記高電圧ライン（１０２、３０２）及び前記低電圧ライン（１０４、３０４）に結合された、電圧リミッタ（１１０、３１０）及び遅延／ＬＩＰイネーブル回路（１２０、３２０）、
並びに
前記本質安全負荷（ＩＳＬ）に対してシャント構成で、前記高電圧ライン（１０２、３０２）及び前記低電圧ライン（１０４、３０４）に電気的に結合されたスイッチ可能な低インピーダンスパス（１３０、３３０）
を備え、
前記電圧リミッタ（１１０、３１０）が、前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路（１２０、３２０）に通信可能に結合され、前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路（１２０、３２０）に信号を供給するように構成され、
前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路（１２０、３２０）が、
前記電圧リミッタ（１１０、３１０）からの前記信号を受信し、前記電圧リミッタ（１１０、３１０）からの前記信号を使用して、ＲＣネットワーク（１２３、３２３）内の１つ以上のキャパシタを充電するように構成されたＲＣネットワーク（１２３、３２３）と、
前記ＲＣネットワーク（１２３、３２３）に電気的に結合され、前記ＲＣネットワーク（１２３、３２３）内の前記一つ以上のキャパシタの電圧を受信し、前記ＲＣネットワーク（１２３、３２３）の前記一つ以上のキャパシタの前記電圧に基づいて電流を流すように構成された遅延／ＬＩＰ電圧調整可能シャントレギュレータ（１２４、３２４）と
を備え、
前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路（１２０、３２０）が、前記スイッチ可能な低インピーダンスパス（１３０.３３０）に通信可能に結合され、前記スイッチ可能な低インピーダンスパス（１３０、３３０）に信号を供給するように構成される、タイマーベースの障害保護回路（１００、３００）。
前記高電圧ライン（１０２、３０２）に電気的に結合された第１端子と前記低電圧ライン（１０４、３０４）に電気的に結合された第２端子とを有する過渡電圧抑制ダイオード（１４０、３４０）をさらに備え、
前記過渡電圧抑制ダイオード（１４０、３４０）が、前記高電圧ライン（１０２、３０２）の電圧が前記過渡電圧抑制ダイオード（１４０、３４０）のブレークダウン電圧よりも大きいときに、前記高電圧ライン（１０２、３０２）と前記低電圧ライン（１０４、３０４）との間で電流を流すように構成される、請求項１に記載のタイマーベースの障害保護回路（１００、３００）。
前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路（１２０、３２０）から前記信号を受信すると、前記スイッチ可能な低インピーダンスパス（１３０、３３０）が、前記過渡電圧抑制ダイオード（１４０、３４０）のブレークダウン電圧未満の電圧で、前記高電圧ライン（１０２、３０２）と前記低電圧ライン（１０４、３０４）との間に順方向伝導電流を流すように構成される、請求項２に記載のタイマーベースの障害保護回路（１００、３００）。
前記電圧リミッタ（１１０、３１０）が、
前記低電圧ライン（１０４、３０４）の電圧に対する前記高電圧ライン（１０２、３０２）の電圧を検知し、
前記低電圧ライン（１０４、３０４）の電圧に対する前記高電圧ライン（１０２、３０２）の電圧が過電圧閾値より大きいときに、前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路（１２０、３２０）に前記信号を供給する、請求項１に記載のタイマーベースの障害保護回路（１００、３００）。
前記電圧リミッタ（１１０、３１０）が、
前記高電圧ライン（１０２、３０２）に電気的に結合された第１端子と、前記低電圧ライン（１０４、３０４）に電気的に結合された第２端子とを有し、前記低電圧ライン（１０４、３０４）の電圧に対する前記高電圧ライン（１０２、３０２）の電圧に基づいて基準電圧（Ｖ１）を提供するように構成された電圧デバイダ（１１２、３１２）
及び
前記高電圧ライン（１０２、３０２）に電気的に結合された第１端子と、前記低電圧ライン（１０４、３０４）に電気的に結合された第２端子と、前記基準電圧（Ｖ１）を受信するように構成された電圧基準端子（Ｖ_ＲＥＦ）とを有する第１の電圧調整可能シャントレギュレータ（１１４、３１４）
を備え、
前記第１の電圧調整可能シャントレギュレータ（１１４、３１４）が、前記基準電圧（Ｖ１）に基づいて電流を流すように構成されている、請求項４に記載のタイマーベースの障害保護回路（１００、３００）。
前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路（１２０、３２０）が、
前記電圧リミッタ（１１０、３１０）から前記信号を受信し、
前記電圧リミッタ（１１０、３１０）から前記信号を受信したときに前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路（１２０、３２０）のタイマー機能を開始し、
前記タイマー機能が遅延閾値に達したときに前記信号を前記スイッチ可能な低インピーダンスパス（１３０、３３０）に供給する
ように構成される、請求項１に記載のタイマーベースの障害保護回路（１００）。
前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路（１２０、３２０）が、
前記遅延／ＬＩＰ電圧調整可能シャントレギュレータ（１２４、３２４）に電気的に結合されたＳＣＲイネーブルスイッチ（１２６、３２３）であって、前記遅延／ＬＩＰ電圧調整可能シャントレギュレータ（１２４、３２４）が前記電流を流すときに、前記スイッチ可能な低インピーダンスパス（１３０、３３０）に前記信号を提供するように構成された、ＳＣＲイネーブルスイッチ（１２６、３２６）
を備える、請求項６に記載のタイマーベースの障害保護回路（１００、３００）。
前記第遅延／ＬＩＰ電圧調整可能シャントレギュレータ（１２４、３２４）が、
前記高電圧ライン（１０２、３０２）および前記ＳＣＲイネーブルスイッチ（１２６、３２６）のベース端子に電気的に結合された第１端子と、
前記低電圧ライン（１０４、３０４）に電気的に結合された第２端子と、
前記ＲＣネットワーク（１２３、３２３）の前記一つ以上のキャパシタの前記電圧を受信するように構成された基準電圧端子（Ｖ_ＲＥＦ）と
を備え、
前記遅延／ＬＩＰ電圧調整可能シャントレギュレータ（１２４、３２４）が、前記ＲＣネットワーク（１２３、３２３）の一つ以上のキャパシタの前記電圧に比例して、前記高電圧ライン（１０２、３０２）から前記低電圧ライン（１０４、３０４）へ前記電流を流すように構成される、請求項７に記載のタイマーベースの障害保護回路（１００、３００）。
前記スイッチ可能な低インピーダンスパス（１３０、３３０）が、
前記高電圧ライン（１０２、３０２）に電気的に結合された第１端子と、前記低電圧ライン（１０４、３０４）に電気的に結合された第２端子と、前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路（１２０、３２０）からの前記信号を受信するようにＳＣＲイネーブルスイッチ（１２６、３２６）に電気的に結合されたゲートと、を有するＳＣＲ（１３０Ｄ、３３０Ｄ）を備え、
前記ＳＣＲ（１３０Ｄ、３３０Ｄ）が、前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路（１２０、３２０）からの前記信号がゲート閾値を超えるときに、前記高電圧ライン（１０２、３０２）と前記低電圧ライン（１０４、３０４）との間で順方向伝導電流を流すように構成される、請求項１に記載のタイマーベースの障害保護回路（１００、３００）。
前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路（１２０、３２０）から受信される前記信号が、前記ゲート閾値を超える前記高電圧ライン（１０２、３０２）の電圧値を含む、請求項９に記載のタイマーベースの障害保護回路（１００、３００）。
前記ＳＣＲ（１３０Ｄ、３３０Ｄ）が、前記順方向伝導電流が前記ＳＣＲ（１３０Ｄ、３３０Ｄ）の保持電流より大きい間、前記順方向伝導電流を流すように構成される、請求項９に記載のタイマーベースの障害保護回路（１００、３００）。
タイマーベースの障害保護回路を形成する方法であって
高電圧ラインを本質安全負荷の第１端子に電気的に結合するように構成するステップ、
低電圧ラインを本質安全負荷の第２端子に電気的に結合するように構成するステップ、
前記本質安全負荷に対して電気的に並列に、電圧リミッタおよび遅延／ＬＩＰイネーブル回路を前記高電圧ラインおよび前記低電圧ラインに結合するステップ、
前記本質安全負荷に対してシャント構成で、スイッチ可能な低インピーダンスパスを前記高電圧ライン及び前記低電圧ラインに電気的に結合するステップ、
前記電圧リミッタを前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路に通信可能に結合し、信号を前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路に提供するように構成するステップであって、前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路が
前記電圧リミッタからの前記信号を受信し、前記電圧リミッタからの前記信号を使用して、ＲＣネットワーク内の一つ以上のキャパシタを充電するように構成されたＲＣネットワークと、
前記ＲＣネットワークに電気的に結合され、前記ＲＣネットワーク内の前記一つ以上のキャパシタの電圧を受信し、前記ＲＣネットワークの前記一つ以上のキャパシタの前記電圧に基づいて電流を流すように構成された遅延／ＬＩＰ電圧調整可能シャントレギュレータ（１２４、３２４）と
を備える、ステップ、
前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路を前記スイッチ可能な低インピーダンスパスに通信可能に結合するステップ
及び
前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路を前記スイッチ可能な低インピーダンスパスに信号を供給するように構成するステップ、
を含む、タイマーベースの障害保護回路を形成する方法。
過渡電圧抑制ダイオードの第１端子を前記高電圧ラインに、第２端子を前記低電圧ラインに電気的に結合するステップをさらに備え、
前記過渡電圧抑制ダイオードが、前記高電圧ラインの電圧が前記過渡電圧抑制ダイオードのブレークダウン電圧よりも大きいときに、前記高電圧ラインと前記低電圧ラインとの間に電流を流すように構成される、請求項１２に記載の方法。
前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路から前記信号を受信すると、前記過渡電圧抑制ダイオードのブレークダウン電圧未満の電圧で前記高電圧ラインと前記低電圧ラインとの間に順方向伝導電流を流すように、前記スイッチ可能な低インピーダンスパスを構成する、請求項１３に記載の方法。
前記電圧リミッタを、
前記低電圧ラインの電圧に対する前記高電圧ラインの電圧を検知し、
前記低電圧ラインの電圧に対する前記高電圧ラインの電圧が過電圧閾値より大きいときに、前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路に前記信号を供給する
ように構成するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
前記電圧リミッタを前記高電圧ライン及び前記低電圧ラインに電気的に結合するステップが、
電圧デバイダの第１端子を前記高電圧ラインに、前記電圧デバイダの第２端子を前記低電圧ラインに電気的に結合し、前記電圧デバイダを、前記低電圧ラインの電圧に対する前記高電圧ラインの電圧に基づいて基準電圧を供給するように構成することと、
第１の電圧調整可能シャントレギュレータの第１端子を前記高電圧ラインに、前記第１の電圧調整可能シャントレギュレータの第２端子を前記低電圧ラインに電気的に結合し、前記第１の電圧調整可能シャントレギュレータの電圧基準端子で前記基準電圧を受信し、前記第１の電圧調整可能シャントレギュレータが前記基準電圧に基づいて電流を流すように構成することと
を含む、請求項１５に記載の方法。
前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路を、
前記電圧リミッタから前記信号を受信し、
前記電圧リミッタから前記信号を受信したときに前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路のタイマー機能を開始し、
前記タイマー機能が遅延閾値に達したときに前記信号を前記スイッチ可能な低インピーダンスパスに供給する
ように構成するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路が、
前記遅延／ＬＩＰ電圧調整可能シャントレギュレータに電気的に結合されたＳＣＲイネーブルスイッチであって、前記遅延／ＬＩＰ電圧調整可能シャントレギュレータが前記電流を流すときに、前記スイッチ可能な低インピーダンスパスに前記信号を提供するように構成される、ＳＣＲイネーブルスイッチ
を備える、請求項１７に記載の方法。
前記遅延／ＬＩＰ電圧調整可能シャントレギュレータが、
前記高電圧ラインおよび前記ＳＣＲイネーブルスイッチのベース端子に電気的に結合された第１端子、
前記低電圧ラインに電気的に結合された第２端子
及び
前記ＲＣネットワークの前記一つ以上のキャパシタの前記電圧を受信するように構成された基準電圧端子（Ｖ_ＲＥＦ）
を備え、
前記遅延／ＬＩＰ電圧調整可能シャントレギュレータが、前記ＲＣネットワークの一つ以上のキャパシタの前記電圧に比例して、前記高電圧ラインから前記低電圧ラインへ前記電流を流すように構成される、請求項１８に記載の方法。
前記スイッチ可能な低インピーダンスパスが、
前記高電圧ラインに電気的に結合された第１端子と、前記低電圧ラインに電気的に結合された第２端子と、前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路からの信号を受信するようにＳＣＲイネーブルスイッチに電気的に結合されたゲートと、を有するＳＣＲを備え、
前記ＳＣＲが、前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路からの前記信号がゲート閾値を超えるときに、前記高電圧ラインと前記低電圧ラインとの間で順方向伝導電流を流すように構成される、請求項１２に記載の方法。
前記遅延／ＬＩＰイネーブル回路から受信される前記信号が、前記ゲート閾値を超える前記高電圧ラインの電圧値を含む、請求項２０に記載の方法。
前記ＳＣＲが、前記順方向伝導電流が前記ＳＣＲの保持電流より大きい間、前記順方向伝導電流を流すように構成される、請求項２０に記載の方法。