KR20210151886A - 위험 장소와 정상 장소 사이의 사다리꼴 전력 공급 배리어 - Google Patents

위험 장소와 정상 장소 사이의 사다리꼴 전력 공급 배리어 Download PDF

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KR20210151886A
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그라코 미네소타 인크.
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Abstract

장치 및 관련 방법은 위험 장소에서 작동하는 전기 장비에 안전 전력을 제공하는 것에 관한 것이다. 안전 전력이란 위험 장소의 가연성 가스나 먼지를 발화시키기에 불충분한 에너지를 제공하도록 전류와 전압이 모두 제한된 전력을 말한다. 전원에 의해 제공되는 작동 전력의 전압을 먼저 제한함으로써 안전 전력이 제공된다. 그 후, 전압 제한 작동 전력은 전류 제한 디바이스에 의해 전류가 제한된다. 전류 및 전압 제한 작동 전력은 전류 제한 네트워크를 통해 강압 전력으로 변환된다. 이어서, 강압 전력은 제2 전압 제한 디바이스에 의해 전압이 제한된다. 일부 실시예에서, 전류 제한 네트워크는 전류 모드 강압 조절기이다.

Description

위험 장소와 정상 장소 사이의 사다리꼴 전력 공급 배리어
일부 산업에서는 위험한 농도의 가연성 가스 또는 먼지를 함유한 분위기를 갖는 위험 장소에서 작업을 수행해야 한다. 예를 들어, 이러한 위험 장소는 산업용 페인트 및 유체 처리 시스템이 사용되는 산업 장소에서 발견될 수 있다. 이러한 가연성 가스 및 먼지는 폭발성 분위기를 발화하기에 충분한 열 또는 전기 스파크를 제공함으로써 발화될 수 있다.
국제 전기 기술 위원회(International Electrotechnical Commission)(IEC)는 이러한 위험 장소에서 작업을 수행하기 위한 다양한 안전 표준을 공표한 국제 기구이다. 그러한 3가지 표준으로는 IEC 60079-0, IEC 60079-11 및 IEC 60079-25이 있으며, 이들은 참조로 본 명세서에 포함된다. 위험 장소는 IEC에 의해 "위험 지역"으로 정의된다. 위험 지역은 "예를 들어, 전기 장치의 구성, 설치 및 사용에 대한 특별한 예방 조치가 필요한 양으로 폭발성 분위기가 존재하거나 존재할 것으로 예상될 수 있는 지역"이다(예를 들어, IEC 60079-0, 정의 3.2 참조). 폭발성 분위기는 "분위기 조건에서 발화 후 자가 유지 전파를 허용하는 기체, 증기, 먼지, 섬유 또는 부유물 형태의 가연성 물질의, 공기와의 혼합"이다(예를 들어, IEC 60079-0, 정의 3.30 참조).
이러한 위험 장소에서 작동되는 전기 장비는 가연성 가스나 먼지의 그러한 발화 위험을 제공할 수 있다. 이러한 폭발성 분위기의 발화를 예방하기 위해 다양한 방법이 사용될 수 있다. 이들 방법은 방폭 챔버의 사용, 오일이나 모래에 전기 장비의 침지, 전기 장비의 안전 설계 등을 포함한다. 이들 위험을 예방하기 위한 그러한 전기 장비의 안전 설계는 본질 안전(Intrinsic Safety)(IS)이라고 명명된다. 본질 안전(IS) 고려 사항으로 설계된 전기 장비는 폭발성 분위기의 발화에 이용 가능한 에너지, 전기 및 열을 제한한다. 본질 안전은 "장비 내의 전기적 에너지 및 폭발성 분위기에 노출된 상호 연결 배선을 발화 또는 가열 효과에 의해 발화를 유발할 수 있는 수준 이하로 제한하는 것에 기초한 보호 유형"으로 정의된다(예를 들어, IEC 60079-11, 정의 3.1.1 참조).
정상 작동에서, 일부 전기 장비는, 예를 들어 스위치, 모터 브러시, 커넥터에서, 그리고 기타 장소에서 전기 아크를 생성할 수 있다. 전기 장비는 또한 열을 생성할 수 있으며, 이는 일부 상황에서 발화원이 될 수 있다. 장비가, 정상 작동시에, 발화원을 생성하지 않더라도, 다양한 구성요소 고장으로 인해 그러한 장비가 발화원을 생성할 가능성이 있게 될 수 있다. 예를 들어, 구성요소가 단락 또는 개회로 방식으로 고장나는 경우, 이전에는 발화원을 생성할 수 없었던 회로가 그러한 발화원을 생성할 수 있게 될 수 있다.
본질 안전 디바이스는, 디바이스가 하나 이상의 구성요소 고장을 겪더라도, 폭발성 분위기를 발화하기에 충분한 열이나 스파크를 생성할 수 없도록 설계된다. 본질 안전 전기 디바이스는 저전압 및 전류로 작동하도록 설계되고, 스파크를 방전할 수 있는 임의의 대형 커패시터 또는 인덕터 없이 설계된다. 그러나, 디바이스가 본질 안전이더라도, 본질 안전 전기 디바이스에 공급되는 전력이 과도하면 이러한 디바이스는 발화원을 생성할 수 있다.
따라서, 정상 장소에서 작동하고 위험 장소에서 디바이스에 안전 전력을 제공하는 전력 공급 배리어가 설계된다. 정상 장소는 IEC에 의해 "비위험 지역"으로서 정의된다. 비위험 지역은 "예를 들어, 전기 장치의 구성, 설치 및 사용에 대한 특별한 예방 조치가 필요한 양으로 폭발성 분위기가 존재할 것으로 예상되지 않는 지역"이다(예를 들어, IEC 60079-0, 정의 3.3 참조). 안전 전력은 이러한 위험 장소에 낮은 전압과 전류만이 존재하고 상당한 에너지 저장이 불가능함을 보장함으로써 달성되는 전력이다. 안전 전력을 제공하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 직렬 저항기를 사용하고 제너 다이오드로 전압을 제한함으로써 전류를 제한하는 것이다.
장치 및 관련 방법은 위험 장소에 있는 전기 장비에 안전 전력을 제공하기 위한 전력 공급 배리어에 관한 것이다. 전력 공급 배리어는 제1 및 제2 전압 제한 디바이스, 저항기 및 전류 제한 네트워크를 포함한다. 제1 전압 제한 디바이스는 작동 전력을 수신하고 수신된 작동 전력의 전압을 제1 전압 한계값으로 제한하도록 구성된다. 저항기는 제1 단자와 제2 단자 사이에 전기 저항을 갖는다. 제1 단자는 제1 전압 한계값으로 제한된 작동 전력을 수신하도록 제1 전압 제한 디바이스에 결합된다. 전류 제한 네트워크는 입력 및 출력 단자를 갖는다. 입력 단자는 저항기의 제2 단자에 결합되어 이를 통해 제공되는 작동 전력 및 이에 의해 제한되는 전류를 수신한다. 출력 단자는 피드백 신호에 기초하여 강압 전력을 제공한다. 제2 전압 제한 디바이스는 전류 제한 네트워크로부터 제공된 강압 전력을 수신하고 제공된 강압 전력의 전압을 제1 전압보다 작은 제2 전압으로 제한하도록 구성된다. 피드백 신호는 제2 전압으로 제한된 제공된 강압 전력이다.
일부 실시예는 위험 장소에 있는 전기 장비에 안전 전력을 제공하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 제1 전압 제한 디바이스에 의해 작동 전력을 수신함으로써 시작된다. 그 다음, 방법은 제1 전압 제한 디바이스에 의해 작동 전력의 전압을 제1 전압 한계값으로 제한함으로써 계속된다. 이어서, 방법은, 전기 저항을 갖는 저항기에 의해, 제1 전압 제한 디바이스에 의해 전압이 제한된 작동 전력을 수신함으로써 계속된다. 이 방법은, 전기 저항을 갖는 저항기에 의해, 전압 제한 작동 전력의 전류를 전류 한계값으로 제한함으로써 계속된다. 방법은, 전류 제한 네트워크에 의해, 제1 전압 제한 디바이스에 의해 전압이 제한되고 저항기에 의해 전류가 제한된 작동 전력 전압을 수신함으로써 계속된다. 방법은, 전류 제한 네트워크에 의해, 피드백 신호에 기초하여 강압 전력을 제공함으로써 계속된다. 방법은, 제2 전압 제한 디바이스에 의해, 강압 전력을 수신함으로써 계속된다. 방법은, 제1 전압 제한 디바이스에 의해, 강압 전력의 전압을 제2 전압 한계값으로 제한함으로써 계속된다. 방법은, 출력 포트에 의해, 전압 제한 강압 전력을 제공함으로써 종료된다. 피드백 신호는 제2 전압 한계값으로 제한된 제공된 강압 전력이다.
도 1은 위험 장소에 안전 전력을 제공하기 위한 종래 기술의 전력 공급 배리어의 개략도이다.
도 2a 내지 도 2c는 부하 전류의 함수로서 도 1에 도시된 종래 기술의 전력 공급 배리어의 전기 파라미터를 도시하는 그래프이다.
도 3은 위험 장소에 안전 전력을 제공하기 위한 사다리꼴 전력 공급 배리어의 개략도이다.
도 4a 내지 도 4c는 부하 전류의 함수로서 도 3에 도시된 사다리꼴 전력 공급 배리어의 전기 파라미터를 도시하고 있는 그래프이다.
도 5는 위험 장소에 안전 전력을 효율적으로 제공하기 위해 전력 변환기를 사용하는 피드백이 있는 사다리꼴 전력 공급 배리어의 개략도이다.
도 6은 전류 제한 네트워크에 트랜지스터를 사용하는 사다리꼴 전력 공급 배리어의 다른 실시예의 개략도이다.
장치 및 관련 방법은 위험 장소에서 작동하는 전기 장비에 안전 전력을 제공하는 것에 관한 것이다. 안전 전력이란 위험 장소의 가연성 가스나 먼지를 발화시키기에 불충분한 에너지를 제공하도록 전류와 전압이 모두 제한된 전력을 말한다. 전원에 의해 제공되는 작동 전력의 전압을 먼저 제한함으로써 안전 전력이 제공된다. 그 후, 전압 제한 작동 전력은 전류 제한 디바이스에 의해 전류가 제한된다. 이어서, 전류 및 전압 제한 작동 전력은 전력 변환기를 통해 강압 전력으로 변환된다. 이어서, 강압 전력은 제2 전압 제한 디바이스에 의해 전압이 제한된다. 일부 실시예에서, 전력 변환기는 전류 모드 강압 조절기이다. 이러한 장치 및 방법은 산업용 마감 용례에 사용하도록 구성될 수 있다.
도 1은 위험 장소에 안전 전력을 제공하기 위한 종래 기술의 전력 공급 배리어의 개략도이다. 도 1에서, 종래 기술의 전력 공급 배리어(10)는 전원(VPS)으로부터 작동 전력을 수신하고 부하(RLOAD)에 전력을 제공한다. 전력 공급 배리어(10)는 입력 포트(VIN), 출력 포트(VOUT), 퓨즈(F), 제너 다이오드(DVL), 및 저항기(RCL)를 포함한다. 전원(VPS)은 제어된 전압 레벨의 작동 전력을 전력 공급 배리어(10)의 입력 포트(VIN)에 제공한다. 제너 다이오드(DVL)는 퓨즈(F)를 통해 입력 포트(VIN)에 전기적으로 결합되어 제공된 작동 전력을 수신하고 수신된 작동 전력의 전압을 제너 다이오드(DVL)의 항복 특성에 의해 결정된 전압 한계값으로 제한한다.
저항기(RCL)는 제너 다이오드(DVL)에 전기적으로 결합된 제1 단자(12)를 갖는다. 저항기(RCL)는 입력 포트(VIN)를 통해 전원(VPS)으로부터 작동 전력을 수신한다. 저항기(RCL)에 의해 수신된 작동 전력은 제너 다이오드(DVL)에 의해 전압이 제한된다. 저항기(RCL)는 출력 포트(VOUT)에 전기적으로 결합된 제2 단자(14)를 갖는다. 저항기(RCL)는 제1 단자(12)와 제2 단자(14) 사이에 전기 저항을 제공한다. 부하(RLOAD)는 출력 노드(VOUT)에 전기적으로 결합된다. 전력 공급 배리어(10)를 통해 부하(RLOAD)로 전달되는 전력은 저항기(RCL) 및 부하(RLOAD) 둘 모두에 의해 전류가 제한된다.
전력 공급 배리어(10)는 부하(RLOAD)에 걸쳐 전달되는 전압 및 부하(RLOAD)에 의해 전도되는 전류를 모두 제한하는 기능을 수행한다. 제너 다이오드는 부하(RLOAD)에 걸친 전압을 제한함으로써 전압 제한 디바이스로서 기능하도록 구성된다. 예를 들어, 제너 다이오드(DVL)가 16 볼트의 제너 항복 전압을 갖는다면, RLOAD에 걸쳐 전달되는 최대 전압은 16 볼트가 되며, 이는 부하(RLOAD)의 전기 저항이 큰 경우에만 발생한다. 저항기(RCL)의 전기 저항이 32 옴이면, 예를 들어, 제너 다이오드는 부하(RLOAD)가 64 옴 이상인 경우에 전류 전도를 시작하게 된다. 다른 실시예에서, 다른 디바이스 및/또는 회로는 전압 제한 디바이스 또는 네트워크로서 기능하도록 사용될 수 있다.
저항기(RCL)는 부하(RLOAD)에 의해 전도된 전류를 제한함으로써, 전류 제한 디바이스로서 기능하도록 구성된다. 저항기(RCL)의 제너 항복 전압과 저항에 의해 상기 예시적인 값을 사용하면, 부하(RLOAD)에 의해 전도된 최대 전류는 500 mA가 되며, 이는 RLOAD의 전기 저항이 제로인 경우(즉, 부하(RLOAD)가 단락된 경우)에만 발생하게 된다. 다른 실시예에서, 다른 디바이스 및/또는 회로가 전류 제한 디바이스 또는 네트워크로서 기능하도록 사용될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 부하 전류의 함수로서 도 1에 도시된 종래 기술의 전력 공급 배리어의 전기 파라미터를 도시하는 그래프이다. 도 2a에서, 그래프(20)는 수평축(22), 수직축(24) 및 전압/전류 관계(26)를 포함한다. 수평축(22)은 밀리암페어(mA)로 측정된 부하(RLOAD)(도 1에 도시됨)에 의해 전도된 전류를 나타낸다. 수직축(24)은 볼트(V)로 측정된 전압을 나타낸다. 전압/전류 관계(26)는 부하(RLOAD)에 의해 전도된 전류의 함수로서 부하(RLOAD)에 걸친 전압을 나타낸다. 전압/전류 관계(26)는 부하(RLOAD)에 의해 전도된 전류가 0 mA에서 500 mA로 증가함에 따라 16 V의 최대 전압으로부터 0 V의 최소 전압으로 선형으로 감소한다. 16 볼트의 최대 전압은 부하(RLOAD)의 전기 저항이 개회로인 경우(즉, 부하(RLOAD)의 전기 저항이 무한대인 경우) 획득된다. 0 볼트의 최소 전압은 부하(RLOAD)의 전기 저항이 단락된 경우(즉, 부하(RLOAD)의 전기 저항이 제로인 경우) 획득된다.
도 2b에서, 그래프(30)는 수평축(32), 수직축(34) 및 전류/전류 관계(36)를 포함한다. 수평축(32)은 다시 밀리암페어(mA)로 측정된 부하(RLOAD)에 의해 전도된 전류를 나타낸다. 수직축(34)은 밀리암페어(mA)로 측정된 전류를 나타낸다. 전류/전류 관계(36)는 부하(RLOAD)에 의해 전도된 전류의 함수로서 전력 공급 배리어(10)(도 1에 도시됨)에 의해 부하(RLOAD)에 공급되는 전류를 나타낸다. 전류/전류 관계(36)는 전력 공급 배리어(10)에 의해 공급되는 전류와 부하(RLOAD)에 전달되는 전류 사이의 직접적인 동등성을 나타내는데, 공급된 모든 전류가 부하에 전달되기 때문이다. 전력 공급 배리어(10)에 의해 RLOAD에 공급된 0 mA의 최소 전류는 부하(RLOAD의 전기 저항이 개회로인 경우(즉, 부하(RLOAD)의 전기 저항이 무한대인 경우) 획득된다. 전력 공급 배리어(10)에 의해 RLOAD에 공급된 500 mA의 최대 전류는 부하(RLOAD의 전기 저항이 단락된 경우(즉, 부하(RLOAD)의 전기 저항이 제로인 경우) 획득된다.
도 2c에서, 그래프(40)는 수평축(42), 수직축(44) 및 전력/전류 관계(46)를 포함한다. 수평축(42)은 다시 밀리암페어(mA)로 측정된 부하(RLOAD)에 의해 전도된 전류를 나타낸다. 수직축(44)은 와트(W)로 측정된 전력을 나타낸다. 전력/전류 관계(46)는 부하(RLOAD)에 의해 전도된 전류의 함수로서 전력 공급 배리어(10)(도 1에 도시됨)에 의해 부하(RLOAD)에 공급되는 전력을 나타낸다. 전력/전류 관계(46)는 전력 최대값(M) 및 전력 최소값(m1 및 m2)을 갖는다. 전력 공급 배리어(10)에 의해 RLOAD로 공급된 0 W의 전력 최소값(m1 및 m2)은 부하(RLOAD)의 저항이 개회로(즉, 부하(RLOAD)의 저항이 무한대)이거나 단락된 경우(즉, 부하(RLOAD)의 저항이 제로인 경우) 획득된다. 전력 공급 배리어(10)에 의해 RLOAD에 공급된 2.0 W의 전력 최대값(M)은 부하(RLOAD)에 의해 전도된 전류가 250 mA일 때 획득되며, 이는 부하(RLOAD)의 저항이 32 옴일 때 발생한다.
도 3은 위험 장소에 안전 전력을 제공하기 위한 사다리꼴 전력 공급 배리어의 개략도이다. 도 3에서, 사다리꼴 전력 공급 배리어(50)는 전원(VPS)으로부터 작동 전력을 수신하고 부하(RLOAD)에 전력을 제공한다. 사다리꼴 전력 공급 배리어(50)는 사다리꼴 특성을 보이기 때문에 그렇게 명명된다. 구체적으로, 부하 라인 또는 전압/전류 관계는 도 4a를 참조하여 아래에 도시되는 바와 같이 사다리꼴 형상을 갖는다. 사다리꼴 전력 공급 배리어(50)는 입력 포트(VIN), 출력 포트(VOUT), 퓨즈(F), 제너 다이오드(DVL1 및 DVL2) 및 저항기(RCL)를 포함한다. 전원(VPS)은 제어된 전압 레벨의 작동 전력을 사다리꼴 전력 공급 배리어(50)의 입력 포트(VIN)에 제공한다. 제너 다이오드(DVL1)는 퓨즈(F)를 통해 입력 포트(VIN)에 전기적으로 결합되어 제공된 작동 전력을 수신하고 수신된 작동 전력의 전압을 제너 다이오드(DVL1)의 항복 특성에 의해 결정된 전압 한계값으로 제한한다.
저항기(RCL)는 제너 다이오드(DVL1)에 전기적으로 결합된 제1 단자(52)를 갖는다. 저항기(RCL)는 입력 포트(VIN)를 통해 전원(VPS)으로부터 작동 전력을 수신한다. 저항기(RCL)에 의해 수신된 작동 전력은 제너 다이오드(DVL1)에 의해 전압이 제한된다. 저항기(RCL)는 출력 포트(VOUT)에 전기적으로 결합된 제2 단자(54)를 갖는다. 저항기(RCL)는 제1 단자(52)와 제2 단자(54) 사이에 전기 저항을 제공한다. 제너 다이오드(DVL2)는 저항기(RCL)의 제2 단자(54)에 전기적으로 결합되어, 그로부터 전력을 수신하고 수신된 전력의 전압을 제너 다이오드(DVL2)의 항복 특성에 의해 결정된 전압 한계값으로 제한한다. 제너 다이오드(DVL2)는 출력 노드(VOUT)에 전기적으로 결합된다. 전력 공급 배리어(50)를 통해 부하(RLOAD)로 전달되는 전력은 저항기(RCL) 및 부하(RLOAD) 둘 모두에 의해 전류가 제한된다.
사다리꼴 전력 공급 배리어(50)는 사다리꼴 전력 공급 배리어(50)가 종래 기술의 전력 공급 배리어(10)에는 존재하지 않는 제너 다이오드(DVL2)를 포함한다는 점에서 종래 기술의 전력 공급 배리어(10)와 상이하다. 제너 다이오드(DVL1)는 부하(RLOAD)에 전달되는 전압을 제한하여, 제너 다이오드(DVL2)를 그러한 의무로부터 완화시킨다. 저항기(RCL)와 함께, 제너 다이오드(DVL2)는 여전히 부하(RLOAD)에 전달되는 최대 전류를 V2로 제한하는 역할을 한다. 제너 다이오드(DVL2)는 부하(RLOAD)에 걸쳐 제공되는 전압을 제한하는 그 의무가 제거되었기 때문에, 제너 다이오드(DVL2)의 항복 특성은 시스템의 최대 전압 제한 요구 사항에 의해 결정될 필요가 없다. 제너 다이오드(DVL2)의 항복 전압은 저항기(RCL)의 저항 증가에 비례하는 방식으로 증가될 수 있다. 이러한 비례 증가는 시스템의 최대 전류 및 전압 제한값을 증가시키지 않고 부하(RLOAD)에 대한 전력 전달을 증가시킬 수 있다. 따라서, 제너 다이오드(DVL2)의 항복 전압은 통상적으로 제너 다이오드(DVL1)의 항복 전압보다 작다.
예를 들어, 제너 다이오드(DVL2)가 16 볼트의 제너 항복 전압을 갖는다면, RLOAD에 걸쳐 전달되는 최대 전압은 16 볼트가 되며, 이는 부하(RLOAD)의 전기 저항이 제로 옴인 경우에만 발생한다. 제너 다이오드(DVL1)가 24 볼트의 제너 항복 전압을 갖고 저항기(RCL)의 전기 저항이 48 옴이면, 예를 들어 부하(RLOAD)에 의해 전도되는 최대 전류는 여전히 500 mA가 되며, 이는 RLOAD의 전기 저항이 무한대인 경우(즉, 부하(RLOAD)가 개회로인 경우)에만 발생하게 된다.
부하(RLOAD)에 전달될 수 있는 최대 전력은 아래에 도시되는 바와 같이 종래 기술의 전력 공급 배리어의 2.0 와트로부터 3.0 와트로 증가한다. 부하(RLOAD)의 저항이 작을 때, 부하(RLOAD)에 걸쳐 작은 전압만이 발생된다. 부하(RLOAD)에 걸친 이러한 전압이 제너 다이오드(DVL2)의 항복 전압보다 낮으면, 제너 다이오드(DVL2)는 전류를 전도하지 않고, 회로에서 임의의 기능도 효과적으로 수행하지 않는다(예를 들어, 전기적 효과 없이 제너 다이오드(DVL2)를 제거할 수 있음). 부하(RLOAD)의 저항이 임계 저항(RCRIT)과 동일하면, 부하(RLOAD)에 걸쳐 발생된 전압은 제너 다이오드(DVL2)의 항복 전압과 정확하게 동일하게 됨으로써, 전압 제한 기능을 그에 복귀시킨다:
Figure pct00001
유사하게, 부하(RLOAD)에 걸친 임계 전압(VCRIT) 및 부하에 의해 전도된 임계 전류(ICRIT)는 다음과 같이 결정된다:
Figure pct00002
Figure pct00003
도 4a 내지 도 4c는 부하 전류의 함수로서 도 3에 도시된 사다리꼴 전력 공급 배리어의 전기 파라미터를 도시하고 있는 그래프이다. 도 4a 내지 도 4c에 도시된 각각의 그래프는 임계 전류(ICRIT)에서 분리된 2개의 영역(R1 및 R2)을 갖는다. 도 4a에서, 그래프(60)는 수평축(62), 수직축(64) 및 전압/전류 관계(66)를 포함한다. 수평축(62)은 밀리암페어(mA)로 측정된 부하(RLOAD)(도 3에 도시됨)에 의해 전도된 전류를 나타낸다. 수직축(64)은 볼트(V)로 측정된 전압을 나타낸다. 전압/전류 관계(66)는 부하(RLOAD)에 의해 전도된 전류의 함수로서 부하(RLOAD)에 걸친 전압을 나타낸다. 전압/전류 관계(66)는 영역(R1)에서 일정한데, 영역(R1)에서는 부하(RLOAD)의 전기 저항이 비교적 커서, 부하에 걸친 전압이 제너 다이오드(DVL2)에 의해 제한된 값으로 유지되게 되기 때문이다. 전압/전류 관계(66)는 부하(RLOAD)에 의해 전도된 전류가 0 mA에서 500 mA로 증가함에 따라 영역(R2)에서 16 V의 최대 전압으로부터 0 V의 최소 전압으로 선형으로 감소한다. 16 볼트의 최대 전압은 부하(RLOAD)의 전기 저항이 임계 저항(RCRIT)과 동일할 때(예를 들어, 도시된 그래프에서 RCRIT - 96 옴) 획득된다. 0 볼트의 최소 전압은 부하(RLOAD)의 전기 저항이 단락된 경우(즉, 부하(RLOAD)의 전기 저항이 제로인 경우) 획득된다. 전압/전류 관계(66)에 의해 나타낸 전압은 부하 전류 도메인에 걸쳐 도 2b에 도시된 전압/전류 관계(26)에 의해 나타낸 전압 이상이다.
도 4b에서, 그래프(70)는 수평축(72), 수직축(74), 전류/전류 관계(76), 및 전류/전류 관계(78)를 포함한다. 수평축(72)은 다시 밀리암페어(mA)로 측정된 부하(RLOAD)에 의해 전도된 전류를 나타낸다. 수직축(74)은 밀리암페어(mA)로 측정된 전류를 나타낸다. 전류/전류 관계(76)는 부하(RLOAD)에 의해 전도된 전류의 함수로서 전력 공급 배리어(50)(도 3에 도시됨)에 의해 부하(RLOAD)에 공급되는 전류를 나타낸다. 전류/전류 관계(78)는 부하(RLOAD)에 공급되지 않고, 대신에 제너 다이오드(DVL2)(도 3에 도시됨)에 의해 션트된 전류를 나타낸다. 총 전류(즉, 전류/전류 관계(76, 78)에 의해 나타낸 전류의 합)는 부하 전류 도메인에 걸쳐 도 2b에서 전류/전류 관계(36)에 의해 나타낸 전류 이상이다.
도 4c에서, 그래프(80)는 수평축(82), 수직축(84), 전력/전류 관계(86) 및 전력/전류 관계(88)를 포함한다. 수평축(82)은 다시 밀리암페어(mA)로 측정된 부하(RLOAD)에 의해 전도된 전류를 나타낸다. 수직축(84)은 와트(W)로 측정된 전력을 나타낸다. 전력/전류 관계(86)는 부하(RLOAD)에 의해 전도된 전류의 함수로서 전력 공급 배리어(50)(도 3에 도시됨)에 의해 부하(RLOAD)에 공급되는 전력을 나타낸다. 전력/전류 관계(88)는 제너 다이오드(DVL2)에서 소산되는 전력을 나타낸다. 전력/전류 관계(86)는 영역(R1)에서 선형으로 증가하고 영역(R2)에서 아래로 오목한 2차 관계를 갖는다.
전력/전류 관계(86)는 전력 최대값(M) 및 전력 최소값(m1 및 m2)를 갖는다. 전력 공급 배리어(50)에 의해 RLOAD로 공급된 0 W의 전력 최소값(m1 및 m2)은 부하(RLOAD)의 저항이 개회로(즉, 부하(RLOAD)의 저항이 무한대)이거나 단락된 경우(즉, 부하(RLOAD)의 저항이 제로인 경우) 획득된다. 전력 공급 배리어(50)에 의해 RLOAD에 공급된 3.0 W의 전력 최대값(M)은 부하(RLOAD)에 의해 전도된 전류가 250 mA일 때 획득되며, 이는 부하(RLOAD)의 저항이 48 옴일 때 발생한다. 전력/전류 관계(86)에 의해 나타낸 전력은 부하 전류 도메인에 걸쳐 도 2c에 도시된 전압/전류 관계(46)에 의해 나타낸 전력 이상이다. 도 1에 도시된 종래 기술의 전력 공급 배리어(10)에 의해 전달될 수 있는 것보다 도 3에 도시된 사다리꼴 전력 공급 배리어(50)에 의해 더 많은 전력이 전달될 수 있지만, 동일한 전압 및 전류 한계값이 양쪽 전력 공급 배리어에서 시행된다.
도 5는 위험 장소에 안전 전력을 효율적으로 제공하기 위해 전력 변환기를 사용하는 피드백이 있는 사다리꼴 전력 공급 배리어의 개략도이다. 도 5에서, 전력 공급 배리어(100)는 전원(VPS)으로부터 작동 전력을 수신하고 부하(RLOAD)에 전력을 제공한다. 전력 공급 배리어(100)는 입력 포트(VIN), 출력 포트(VOUT), 퓨즈(F), 제너 다이오드(DVL1 및 DVL2), 저항기(RCL), 피드백 네트워크(102), 및 전력 변환기(104)를 포함한다. 전원(VPS)은 제어된 전압 레벨의 작동 전력을 전력 공급 배리어(100)의 입력 포트(VIN)에 제공한다. 제너 다이오드(DVL1)는 퓨즈(F)를 통해 입력 포트(VIN)에 전기적으로 결합되어 제공된 작동 전력을 수신하고 수신된 작동 전력의 전압을 제너 다이오드(DVL1)의 항복 특성에 의해 결정된 전압 한계값으로 제한한다.
저항기(RCL)는 제너 다이오드(DVL1)에 전기적으로 결합된 제1 단자(106)를 갖는다. 저항기(RCL)는 입력 포트(VIN)를 통해 전원(VPS)으로부터 작동 전력을 수신한다. 저항기(RCL)에 의해 수신된 작동 전력은 제너 다이오드(DVL1)에 의해 전압이 제한된다. 저항기(RCL)는 전력 변환기(104)의 입력 포트(IN)에 전기적으로 결합된 제2 단자(108)를 갖는다. 저항기(RCL)는 제1 단자(106)와 제2 단자(108) 사이에 전기 저항을 제공한다. 전력 변환기(104)는 입력 포트(IN)에서 저항기(RCL)의 제2 단자(108)로부터 전력을 수신한다. 전력 변환기(104)는 수신된 전력을 변환하고 변환된 전력을 전력 변환기(104)의 출력 포트(OUT)에 제공한다. 전력 변환기(104)는 피드백 포트(FB)에서 수신된 피드백 신호에 기초하여 출력 포트(OUT)에 제공되는 전력을 제어한다.
제너 다이오드(DVL2)는 전력 변환기(104)의 출력 포트(OUT)에 전기적으로 결합되어, 그로부터 전력을 수신하고 수신된 전력의 전압을 제너 다이오드(DVL2)의 항복 특성에 의해 결정된 전압 한계값으로 제한한다. 제너 다이오드(DVL2)는 출력 노드(VOUT)에 전기적으로 결합된다. 전력 공급 배리어(100)를 통해 부하(RLOAD)로 전달되는 전력은 저항기(RCL) 및 부하(RLOAD) 둘 모두에 의해 전류가 제한된다. 피드백 네트워크(102)는 출력 전압(VOUT)의 전압 분배기로서 구성된 저항기(RFB1 및 RFB2)를 포함한다.
전력 공급 배리어(100)는 전력 공급 배리어(100)가 사다리꼴 전력 공급 배리어(50)에 존재하지 않는 전력 변환기(104) 및 피드백 네트워크(102)를 포함한다는 점에서 사다리꼴 전력 공급 배리어(50)와 상이하다. 전력 공급 변환기(100)는 제너 다이오드(DVL2)에 의해 션트된 전류를 감소시킴으로써 사다리꼴 전력 변환기(50)에 비교하여 효율을 개선하도록 구성된다. 전력 공급 변환기(50)는, 예를 들어 DC/DC 변환기일 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 공급 변환기는, 예를 들어 전류 모드 강압 조절기와 같은 전압 조절기이다.
일부 실시예에서, 전력 공급 변환기(50)는 RLOAD에 걸친 전압을 제어하도록 구성되어, 그에 걸친 전압은 제너 다이오드(DVL2)의 항복 전압보다는 작을 뿐이어서, 이를 통한 전류 전도를 방지한다. 전력 공급 변환기(50)는 부하(RLOAD)의 저항이 임계값(RCRIT)보다 클 때 이러한 전압을 공급하도록 구성될 수 있다. 부하(RLOAD)가 임계값(RCRIT) 아래로 떨어지면, 전력 공급 배리어(100)는 저항기(RCL)에 의해 전류가 제한되어, RLOAD에 걸친 전압은 목표 제어 전압으로부터 감소된다. 따라서, 전력 공급 변환기(100)와 피드백 및 네트워크(102)는, 부하(RLOAD)의 저항이 임계값(RCRIT)보다 클 때 전압이 목표값으로 제어되는 전압 제어 시스템으로 고려될 수 있다.
전력 공급 변환기(100) 및 피드백 네트워크(102)는 또한 임피던스 제어 네트워크로 고려될 수 있다. 예를 들어, 전력 공급 변환기(100)는 저항기(RCL)와 직렬로 연결됨으로써, 제너 다이오드(DVL1)와 제너 다이오드(DVL2) 사이의 유효 저항으로서 기능한다. 일부 실시예에서, 그들 사이의 유효 저항은, 부하(RLOAD)가 임계값(RCRIT)보다 작을 때 저항기(RCL)와 실질적으로 동일하다. 부하(RLOAD)가 임계값(RCRIT)보다 작을 때, 전력 공급 변환기(100)의 입력 포트(IN)와 출력 포트(OUT) 사이의 유효 저항은 저항기(RCL)에 대해 작을 수 있다. 예를 들어, 전력 공급 변환기(100)의 입력 포트(IN)와 출력 포트(OUT) 사이의 유효 저항은 저항기(RCL)의 저항의 20%, 15%, 10%, 5% 또는 3% 미만일 수 있다.
도 6은 전류 제한 네트워크에 트랜지스터를 사용하는 사다리꼴 전력 공급 배리어의 다른 실시예의 개략도이다. 도 5에서, 전력 공급 배리어(120)는 전원(VPS)으로부터 작동 전력을 수신하고 부하(RLOAD)에 전력을 제공한다. 전력 공급 배리어(100)는 입력 포트(VIN), 출력 포트(VOUT), 퓨즈(F), 제너 다이오드(DVL1 및 DVL2), 저항기(RCL), 피드백 증폭기(AFB), 및 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)(FET)(FCL)를 포함한다. 전원(VPS)은 제어된 전압 레벨의 작동 전력을 전력 공급 배리어(120)의 입력 포트(VIN)에 제공한다. 제너 다이오드(DVL1)는 퓨즈(F)를 통해 입력 포트(VIN)에 전기적으로 결합되어 제공된 작동 전력을 수신하고 수신된 작동 전력의 전압을 제너 다이오드(DVL1)의 항복 특성에 의해 결정된 전압 한계값으로 제한한다.
저항기(RCL)는 제너 다이오드(DVL1)에 전기적으로 결합된 제1 단자(106)를 갖는다. 저항기(RCL)는 입력 포트(VIN)를 통해 전원(VPS)으로부터 작동 전력을 수신한다. 저항기(RCL)에 의해 수신된 작동 전력은 제너 다이오드(DVL1)에 의해 전압이 제한된다. 저항기(RCL)는 전류 제한 FET(FCL)의 제1 단자(122)에 전기적으로 결합된 제2 단자(108)를 갖는다. 저항기(RCL)는 제1 단자(106)와 제2 단자(108) 사이에 전기 저항을 제공한다. 전류 제한 FET(FCL)는 제1 단자(122)에서 저항기(RCL)의 제2 단자(108)로부터 전력을 수신한다. 제1 단자(122)와 제2 단자(124) 사이의 전류 제한 FET(FCL)의 저항은 제어 단자(126)에 의해 제어된다. 전류 제한 FET(FCL)의 저항은 피드백 증폭기(AFB)에 의해 제어된다.
피드백 증폭기(AFB)는 출력 단자(VOUT)에서의 출력 전압을 기준 전압(VREF)과 비교한다. 일부 실시예에서, VREF는 제너 다이오드(DVL2)의 항복 전압보다 낮을 뿐이어서, 이를 통한 전류 전도를 방지한다. 일부 실시예에서, 전류 제한 FET(FCL)의 유효 저항은, RLOAD이 임계값(RCRIT)보다 작을 때, 임계값(RCL)보다 실질적으로 작다. 예를 들어, 전류 제한 FET(FCL)의 유효 저항은 저항기(RCL)의 저항의 20%, 15%, 10%, 5% 또는 3% 미만일 수 있다. 그러나, RLOAD가 임계값(RCRIT)보다 크면, 전류 제한 FET(FCL)의 저항이 증가되어 제너 다이오드(DVL2)의 전류 유동을 감소시킴으로써, 전력 공급 배리어(120)의 전력 효율을 개선시킨다.
본 발명이 예시적인 실시예(들)를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있고 균등물이 그 요소를 대체할 수 있다는 것이 본 기술 분야의 숙련자에 의해 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적응하기 위해 많은 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예(들)로 제한되지 않고, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 모든 실시예를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (22)

  1. 위험 장소에서 작동하는 전기 장비에 안전 전력을 제공하기 위한 전력 공급 배리어로서,
    작동 전력을 수신하고 수신된 작동 전력의 전압을 제1 전압 한계값으로 제한하도록 구성된 제1 전압 제한 디바이스;
    제1 단자와 제2 단자 사이에 전기 저항을 갖는 저항기로서, 제1 단자는 제1 전압 한계값으로 제한된 작동 전력을 수신하도록 제1 전압 제한 디바이스에 결합되는, 저항기;
    입력 및 출력 단자를 갖는 전류 제한 네트워크로서, 입력 단자는 저항기의 제2 단자에 결합되어 제2 단자를 통해 제공되는 작동 전력을 수신하고 그에 의해 전류가 제한되며, 출력 단자는 출력 전압을 갖는 강압 전력을 제공하고, 출력 전압은 기준 전압과 피드백 신호 사이의 비교에 기초하여 전류 제한 네트워크에 의해 제어되는, 전류 제한 네트워크; 및
    전류 제한 네트워크로부터 제공된 강압 전력을 수신하고 제공된 강압 전력의 출력 전압을 제1 전압보다 작은 제2 전압으로 제한하도록 구성된 제2 전압 제한 디바이스를 포함하고,
    피드백 신호는 제2 전압으로 제한된 제공된 강압 전력에 기초하며,
    정상 작동 동안, 출력 전압은 제2 전압 제한 디바이스에 의한 전류 전도를 방지하기 위해 제2 전압 한계값보다 작은 전압으로 제어되는, 전력 공급 배리어.
  2. 제1항에 있어서, 안전 전력은 미리 결정된 전압 임계값으로 전압이 제한되고 미리 결정된 전류 임계값으로 전류가 제한되는 전력을 포함하는, 전력 공급 배리어.
  3. 제2항에 있어서, 미리 결정된 전류 임계값은 제1 전압을 저항기의 저항으로 나눈 값 이상인, 전력 공급 배리어.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 전류 제한 네트워크는 미리 결정된 전류 임계값 이하인 전류 한계값을 갖는, 전력 공급 배리어.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 전압은 미리 결정된 전압 한계값 이하인, 전력 공급 배리어.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 전류 제한 네트워크는 전력 변환기인, 전력 공급 배리어.
  7. 제6항에 있어서, 전력 변환기는 전류 모드 강압 조절기인, 전력 공급 배리어.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전압 제한 디바이스는 제1 전압과 동일한 항복 전압을 갖는 제너 다이오드를 포함하는, 전력 공급 배리어.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전압 제한 디바이스는 제1 전압과 동일한 항복 전압을 각각 갖는 복수의 병렬 연결된 제너 다이오드를 포함하는, 전력 공급 배리어.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 전압 제한 디바이스는 제2 전압과 동일한 항복 전압을 갖는 제너 다이오드를 포함하는, 전력 공급 배리어.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 전압 제한 디바이스는 제2 전압과 동일한 항복 전압을 각각 갖는 복수의 병렬 연결된 제너 다이오드를 포함하는, 전력 공급 배리어.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    작동 전력이 전도되게 하는 퓨즈를 더 포함하는, 전력 공급 배리어.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    출력 단자와 전기 통신함으로써 연결될 때 전기 장비에 안전 전력을 제공하는 커넥터를 더 포함하는, 전력 공급 배리어.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 강압 전력은 제1 전압 한계값보다 작은 전압을 갖는, 전력 공급 배리어.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 시스템은 산업용 마감 용례에 사용하도록 구성되는, 전력 공급 배리어.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 복수의 전력 공급 배리어로서,
    출력 단자와 전기 통신함으로써 연결될 때 전기 장비에 안전 전력을 제공하는 커넥터를 각각 더 포함하는, 복수의 전력 공급 배리어.
  17. 위험 장소에서 작동하는 전기 장비에 안전 전력을 제공하는 방법으로서,
    제1 전압 제한 디바이스에 의해, 작동 전력을 수신하는 단계;
    제1 전압 제한 디바이스에 의해, 작동 전력의 전압을 제1 전압 한계값으로 제한하는 단계;
    전기 저항을 갖는 저항기에 의해, 제1 전압 제한 디바이스에 의해 전압이 제한된 작동 전력을 수신하는 단계;
    전기 저항을 갖는 저항기에 의해, 전압 제한 작동 전력의 전류를 전류 한계값으로 제한하는 단계;
    전류 제한 네트워크에 의해, 제1 전압 제한 디바이스에 의해 전압이 제한되고 저항기에 의해 전류가 제한된 작동 전력 전압을 수신하는 단계;
    전류 제한 네트워크에 의해, 피드백 신호에 기초하여 강압 전력을 제공하는 단계;
    제2 전압 제한 디바이스에 의해, 강압 전력을 수신하는 단계;
    제1 전압 제한 디바이스에 의해, 강압 전력의 전압을 제2 전압 한계값으로 제한하는 단계; 및
    출력 포트에 의해, 전압 제한 강압 전력을 제공하는 단계를 포함하고,
    피드백 신호는 제2 전압 한계값으로 제한된 제공된 강압 전력인, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 안전 전력은 미리 결정된 전압 임계값으로 전압이 제한되고 미리 결정된 전류 임계값으로 전류가 제한되는 전력을 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 미리 결정된 전류 임계값은 제1 전압을 저항기의 저항으로 나눈 값 이상인, 방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 전류 제한 네트워크는 미리 결정된 전류 임계값 이하인 전류 한계값을 갖는, 방법.
  21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 전압은 미리 결정된 전압 한계값 이하인, 방법.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    퓨즈를 통해 작동 전력을 전도하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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