PL213853B1

PL213853B1 - Spark-proof barrier

Info

Publication number: PL213853B1
Application number: PL383809A
Authority: PL
Inventors: Marek Belza; Henryk Passia; Witalij Skoropacki
Original assignee: Glowny Instytut Gornictwa
Priority date: 2007-11-19
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2013-05-31
Also published as: PL383809A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest bariera iskrobezpieczeństwa, do zabezpieczenia obwodów elektrycznych funkcjonujących w przestrzeniach zagrożonych wybuchem, na przykład w obecności gazów lub pary cieczy palnych, zwłaszcza w obiektach przemysłu węglowego i petrochemicznego.The subject of the invention is an intrinsically safe barrier for the protection of electrical circuits operating in potentially explosive atmospheres, for example in the presence of flammable gases or vapors, especially in coal and petrochemical industry facilities.

Układy zapewnienia iskrobezpieczeństwa obwodów elektrycznych z wykorzystaniem diod Zenera są znane od lat sześćdziesiątych minionego stulecia. Wprowadzenie bariery Zenera do praktyki iskrobezpieczeństwa zostało zapoczątkowane w Wielkiej Brytanii w 1962 r., na podstawie rozwiązania znanego z brytyjskiego opisu patentowego GB 977913. Przedstawiona w tym opisie bariera ma postać czwórnika, w którym każdy zacisk wejściowy jest związany z odpowiednim zaciskiem wyjściowym poprzez szeregowo połączone bezpiecznik topikowy i ograniczający rezystor, a wyjścia bezpieczników są między sobą związane poprzez połączone przeciwsobnie dwie diody Zenera. Modyfikacja tej bariery jest znana z brytyjskiego opisu patentowego GB 1133750, według którego bariera iskrobezpieczeństwa w postaci czwórnika zawiera dwa zaciski wejściowe i dwa zaciski wyjściowe. Pierwszy zacisk wejściowy poprzez szeregowo połączone bezpiecznik topikowy, pierwszy i drugi rezystor ograniczający jest związany z pierwszym zaciskiem wyjściowym, a drugi zacisk wejściowy jest bezpośrednio związany z drugim zaciskiem wyjściowym. Punkt wspólnego połączenia wymienionych rezystorów jest związany ze wspólnie połączonymi zaciskiem wejściowym i wyjściowym poprzez dwie równolegle połączone diody Zenera, spolaryzowane w kierunku zaporowym. Rozwiązania te cechują się niską sprawnością elektryczną i niską wartością użytecznej mocy iskrobezpiecznej, która może być przekazana do obciążenia.Systems for ensuring intrinsic safety of electrical circuits with the use of Zener diodes have been known since the sixties of the last century. The introduction of the Zener barrier to intrinsic safety practice was initiated in Great Britain in 1962, on the basis of the solution known from the British patent specification GB 977913. The barrier presented in this description has the form of a quadrant, in which each input terminal is associated with a corresponding output terminal through series connected a fuse and a limiting resistor, and the outputs of the fuses are connected to each other by two Zener diodes connected in anti-parallel. A modification of this barrier is known from the British patent specification GB 1133750, according to which the intrinsically safe barrier in the form of a cross has two input terminals and two output terminals. The first input terminal is connected in series with a fuse, the first and second limiting resistors are associated with the first output terminal, and the second input terminal is directly associated with the second output terminal. The common junction point of said resistors is associated with the input and output terminals connected together through two parallel connected Zener diodes, reverse biased. These solutions are characterized by low electrical efficiency and a low value of the useful intrinsically safe power that can be transferred to the load.

Znana jest również, na przykład z polskiego opisu patentowego PL 106 542, bariera iskrobezpieczeństwa w postaci czwórnika zaopatrzonego w zaciski wejściowe dla przyłączenia nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i zaciski wyjściowe dla przyłączenia iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego. Pomiędzy zaciski wejściowe i wyjściowe są włączone rezystory ograniczające prąd zwarcia i diody Zenera ograniczające wzrost napięcia na wejściu chronionego obwodu elektrycznego. Rozwiązanie to również cechuje się niską wartością użytecznej mocy iskrobezpiecznej, która może być przekazana do obciążenia.It is also known, e.g. from the Polish patent specification PL 106 542, for an intrinsically safe barrier in the form of a cross with input terminals for connecting a non-intrinsically safe part of the electric circuit and output terminals for connecting an intrinsically safe electric circuit. Resistors limiting the short-circuit current and Zener diodes limiting the increase in voltage at the input of the protected electrical circuit are connected between the input and output terminals. This solution is also characterized by a low value of the useful intrinsically safe power that can be transferred to the load.

Znane jest także, na przykład z opisu wynalazku zgłoszonego w Stanach Zjednoczonych US 2006/0164780, rozwiązanie elektrycznej bariery ochronnej dla podłączenia źródła zasilania z elektrycznym urządzeniem zainstalowanym w strefie zagrożonej wybuchem. Barierę tę tworzą dioda Zenera, bezpiecznik topikowy, pierwszy rezystor ograniczający prąd na wyjściu bariery i drugi rezystor, który jest szeregowo połączony z diodą Zenera dla ograniczenia prądu płynącego przez tę diodę. Rozwiązanie to również nie jest pozbawione podobnych wad, właściwych dla barier iskrobezpieczeństwa z liniową charakterystyką wyjściową.It is also known, for example from the description of the invention filed in the United States, US 2006/0164780, to provide an electrical protective barrier for connecting a power source to an electrical device installed in a hazardous area. The barrier is formed by a zener diode, a fuse, a first resistor limiting the current at the barrier output and a second resistor which is connected in series with the zener diode to limit the current flowing through the diode. This solution is also not free from similar drawbacks, typical of intrinsically safe barriers with linear output characteristics.

Ponadto wspólną wadą powyżej omówionych barier iskrobezpieczeństwa jest niska wartość reaktancyjnego obciążenia bariery iskrobezpieczeństwa, zwłaszcza pojemnościowego. Rzeczywiście w chwili powstania komutacji awaryjnej w obwodzie wyjściowym, na przykład typu „zwarcie”, wartość energii elektrycznej wydzielanej w kanale wyładowania elektrycznego będzie skutkiem oddawania energii przez poszczególne źródła zapłonu - magazyny energii elektrycznej - na przykład kondensatory, oraz energii pochodzącej od źródła zasilania.Moreover, a common disadvantage of the above-discussed intrinsically safe barriers is the low value of the reactive load of the intrinsically safe barrier, especially the capacitive one. Indeed, when an emergency commutation occurs in the output circuit, for example a "short-circuit" type, the amount of electrical energy released in the electrical discharge channel will result from the energy given off by individual ignition sources - electrical energy stores - for example capacitors, and energy from the power source.

Bariera iskrobezpieczeństwa, wykonana w postaci czwórnika z zaciskami wejściowymi dla przyłączania źródła zasilania przez bezpiecznik topikowy i zaciskami wyjściowymi dla przyłączania iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, zawierająca równoległe gałęzie diod Zenera włączonych pomiędzy zaciski wejściowe i wyjściowe, spolaryzowanych w kierunku zaporowym i rozdzielonych szeregowymi rezystorami, według wynalazku, ma co najmniej trzy równoległe gałęzie diod pojemnościowych, spolaryzowanych w kierunku zaporowym i włączonych pomiędzy zaciskami wyjściowymi.The intrinsically safe barrier, made in the form of a cross-section with input terminals for connecting the power source through a fuse, and output terminals for connecting an intrinsically safe electric circuit, containing parallel branches of Zener diodes connected between the input and output terminals, reverse biased and separated by series resistors, according to the invention, has at least three parallel branches of capacitive diodes biased in the reverse direction and connected between the output terminals.

Zastosowanie w barierze według wynalazku diod pojemnościowych, tak zwanych warikapów, tworzy dynamiczną zaporę energetyczną dla energii elektrycznej pochodzącej od źródła zasilania, a tym samym eliminuje wyżej wymienione wady znanych układów ochronnych.The use of capacitive diodes in the barrier according to the invention, so-called varicaps, creates a dynamic energy barrier for the electricity coming from the power source, and thus eliminates the above-mentioned drawbacks of known protection systems.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładowym wykonaniu na rysunku przedstawiającym układ wewnętrznych połączeń bariery iskrobezpieczeństwa.The subject of the invention is presented in an exemplary embodiment in the drawing showing the system of internal connections of the intrinsically safe barrier.

Bariera iskrobezpieczeństwa jest wykonana w postaci czwórnika zawierającego zaciski wejściowe 1, 2 i zaciski wyjściowe 3, 4. Zaciski wejściowe 1, 2 służą dla przyłączenia źródła zasilania przez bezpiecznik topikowy 5, a zaciski wyjściowe 3, 4 dla przyłączenia iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego. Bariera ma trzy równoległe gałęzie diod Zenera 6, 7 i 8, włączonych w kierunku zapoPL 213 853 B1 rowym pomiędzy dodatnim i ujemnym biegunem zasilania i rozdzielonych szeregowymi rezystorami 9, i 11. Zaciski wyjściowe 3 i 4 są zbocznikowane za pomocą co najmniej trzech równoległych gałęzi diod pojemnościowych 12, 13 i 14, spolaryzowanych w kierunku zaporowym.The intrinsically safe barrier is made in the form of a cross-section with input terminals 1, 2 and output terminals 3, 4. Input terminals 1, 2 are used for connecting the power source through a fuse 5, and output terminals 3, 4 are for connecting an intrinsically safe electric circuit. The barrier has three parallel branches of zener diodes 6, 7 and 8, connected in the reverse direction between the positive and negative poles of the supply and separated by series resistors 9 and 11. Output terminals 3 and 4 are shunted by at least three parallel branches capacitive diodes 12, 13 and 14, reverse biased.

Diody Zenera 6, 7 i 8 chronią obwód iskrobezpieczny przed nadmiernym wzrostem napięcia na jego wejściu, a trzy szeregowo połączone rezystory 9, 10 i 11 ograniczają prąd zwarcia na wyjściu bariery do wartości iskrobezpiecznej. Wartość napięcia na wyjściu bariery jest równa wartości napięcia źródła zasilania pomniejszonej o spadek napięcia na wspomnianych rezystorach, a pojemność każdej z trzech diod pojemnościowych 12, 13 i 14 jest minimalna. Przy powstaniu w obwodzie chronionym komutacji awaryjnej typu „zwarcie” gwałtownie maleje napięcie na zaciskach wyjściowych 3, 4 bariery, wskutek zwiększenia spadku napięcia na rezystorach 9, 10 i 11. Powoduje to wielokrotny wzrost pojemności każdej z trzech diod pojemnościowych 12, 13 i 14, wskutek czego w chwili powstania komutacji awaryjnej energia elektryczna ze źródła zasilania nie jest oddawana do kanału wyładowania elektrycznego, lecz przekazywana do tych diod, co zapewnia powstanie dynamicznej zapory energetycznej dla obwodu wyjściowego. W tej sytuacji, w stopniu znaczącym, zostaje wyeliminowane oddziaływanie źródła zasilania na proces tworzenia jądra zapalenia w punkcie wyładowania elektrycznego. Zmniejsza to udział źródła zasilania przy zapewnieniu iskrobezpieczeństwa obwodu wejściowego bariery, a tym samym umożliwia zwiększenie wartości obciążenia pojemnościowego.Zener diodes 6, 7 and 8 protect the intrinsically safe circuit against excessive voltage increase at its input, and three series-connected resistors 9, 10 and 11 limit the short-circuit current at the barrier output to an intrinsically safe value. The voltage at the barrier output is equal to the voltage of the power source minus the voltage drop across said resistors, and the capacitance of each of the three capacitive diodes 12, 13 and 14 is minimal. When emergency commutation occurs in the "short-circuit" type in the protected circuit, the voltage at the barrier output terminals 3, 4 decreases rapidly, due to the increased voltage drop across resistors 9, 10 and 11. This causes a multiple increase in the capacitance of each of the three capacitive diodes 12, 13 and 14, as a result, at the moment of emergency commutation, the electricity from the power source is not transferred to the electric discharge channel, but to these diodes, which provides a dynamic energy barrier for the output circuit. In this situation, the influence of the power source on the process of formation of the inflammation nucleus at the point of the electrical discharge is largely eliminated. This reduces the share of the power source while ensuring the intrinsic safety of the barrier input circuit, and thus allows to increase the value of the capacitive load.

Claims

The intrinsically safe barrier, made in the form of a cross-section with input terminals for connecting the power source through a fuse, and output terminals for connecting an intrinsically safe electric circuit, containing parallel branches of Zener diodes connected between the input and output terminals, reverse biased and separated by series resistors, characterized by that it has at least three parallel branches of capacitive diodes (12, 13 and 14), reverse biased and connected between the output terminals (3, 4).