WO2000038293A1 - Schaltungsanordnung zur spannungsgleichrichtung und -begrenzung - Google Patents

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voltage
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diodes
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Walter Bahlinger
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/008Intrinsically safe circuits
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/06Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for voltage rectification and limitation according to the preamble of claim 1.
  • a bridge rectifier in which Zener diodes are used as rectifier elements is described there as a circuit for voltage stabilization.
  • the diodes that conduct during a rectifier phase operate with a forward voltage of 0.6 V.
  • the two diodes not involved in the rectifier process during this time are switched in the reverse direction.
  • the output voltage of the bridge rectifier is limited by the zener diodes to a value which corresponds to the difference between the diode breakdown voltage and the forward voltage.
  • This arrangement of the Zener diodes already results in a stabilized output voltage. For this purpose, the diodes should have the same breakdown voltage.
  • Intrinsic safety For the use of electronic devices in potentially explosive areas, a type of protection that is often used is the so-called “intrinsic safety" of the electronic equipment.
  • a circuit is intrinsically safe if it cannot ignite an explosive mixture either operationally or in the event of a fault due to electrical sparks or thermal influences under specified test conditions.
  • Basic measures for intrinsic safety are therefore the limitation of voltage, current, power and temperature to safe values in operation and under defined fault conditions.
  • Three diodes, ie double redundancy, are used for electrical equipment of the "ia” category. Two diodes are sufficient for electrical equipment
  • a bridge rectifier is usually used, in the bridge branches of which simple
  • a downstream Zener diode barrier prevents the output voltage of the bridge rectifier from exceeding a maximum value specified in an intrinsically safe circuit.
  • the invention has for its object to provide a circuit arrangement for voltage rectification and limitation for intrinsically safe equipment, which can be implemented with little effort.
  • the invention has the advantage that only a few components are required to build up a circuit arrangement for voltage rectification and limitation in intrinsically safe circuits. It is based on the knowledge that even with a bridge rectifier, which has a zener diode in each of the four bridge branches, its zener voltage is dimensioned in this way is that the output voltage of the bridge rectifier does not exceed a maximum value specified in an intrinsically safe circuit, there is a simple redundancy of the limiting elements. The simple redundancy is sufficient for electronic equipment with intrinsic safety in the "ib" category.
  • the circuit arrangement enables voltage rectification and voltage limitation with double redundancy of the limitation diodes when only a total of five Zener diodes are used, if the bridge rectifier is provided with four Zener diodes and a further Zener diode is used to limit the output voltage of the bridge rectifier.
  • Zener diode barrier with six Zener diodes, which are connected in pairs against each other in three branches, was previously required. A further four diodes were required for rectification with a bridge rectifier. In the new circuit arrangement, six Zener diodes are advantageously sufficient, four of which are used in the bridge rectifier and two are connected to one another between the potential-conducting conductors on the output side.
  • a capacitor can advantageously be provided to stabilize the output voltage of the bridge rectifier.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement for voltage rectification and limitation in intrinsically safe circuits with single redundancy
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement with double redundancy
  • Figure 3 shows a circuit arrangement with double redundancy and bipolar voltage limitation.
  • a circuit arrangement for voltage rectification and limitation consists of a bridge rectifier, each of which has a Zener diode 1, 2, 3 and 4 in its four bridge branches.
  • this bridge rectifier is supplied with AC voltage by a transformer 5.
  • the Zener diodes 2 and 3 are operated in the forward direction, the Zener diodes 1 and 4 in the reverse direction.
  • the positive half-wave is thus transmitted to the output side of the bridge rectifier, which is formed by two lines 8 and 9.
  • the bridge rectifier also transmits a negative half-wave between lines 6 and 7 as a positive half-wave on lines 8 and 9 of the output side.
  • Zener diodes 2 and 3 now reliably limit the output voltage, again with simple redundancy.
  • a capacitor 10, which is connected between lines 8 and 9, is used to stabilize the output voltage.
  • a circuit arrangement for voltage rectification and limitation is also shown in FIG. The same parts are provided with the same reference numerals.
  • a Zener diode 11 is additionally connected, which limits the output voltage to the predetermined one
  • Zener voltage of the Zener diode 11 can be lower than the Zener voltage by the forward voltage of the Zener diodes 1 ... 4. As a result, all limiting diodes respond at the same overvoltage.
  • the output of the bridge rectifier is provided with two Zener diodes 12 and 13 connected in series. This ensures a bipolar limitation of the output voltage to a predetermined maximum value. Here too there is double redundancy, as is required for intrinsic safety in the "ia" category.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit einem Brückengleichrichter, der in den Brückenzweigen jeweils eine Zenerdiode (1,...4) aufweist, deren Zenerspannung derart bemessen ist, daß die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters einen vorgegebenen Maximalwert nicht übersteigt. Damit wird eine Spannungsbegrenzung mit der für Eigensicherheit der Kategorie 'ib' geforderten einfachen Redundanz gewährleistet. Durch Beschaltung der Ausgangsseite mit einer weiteren Zenerdiode wird zweifache Redundanz erreicht.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begren- zung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begrenzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Schaltungsanordnung ist bereits aus dem Buch "Das große Werkbuch Elektronik" von Dieter Nührmann, Band 1, 6. Auflage, Franzis-Verlag GmbH, 1994, Seiten 1197 und 1198, bekannt. Als Schaltung zur Spannungsstabilisierung wird dort ein Brückengleichrichter beschrieben, in welchen Zenerdioden als Gleichrichterelemente eingesetzt sind. Die während einer Gleichrichterphase leitenden Dioden arbeiten mit einer Durchlaßspannung von 0,6 V. Die beiden in dieser Zeit nicht am Gleichrichtervorgang beteiligten Dioden sind in Sperrichtung geschaltet. Die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters wird durch die Zenerdioden auf einen Wert begrenzt, welcher der Differenz aus der Diodendurchbruchspannung und der Durchlaßspannung entspricht. Durch diese Anordnung der Zenerdioden ergibt sich bereits eine stabilisierte Ausgangsspannung. Die Dioden sollen dazu die gleiche Durchbruchspannung aufweisen.
Für den Einsatz elektronischer Geräte in explosionsgefährde- ten Bereichen ist eine oft verwendete Schutzart die sogenann- te "Eigensicherheit" der elektronischen Betriebsmittel. Ein Stromkreis ist eigensicher, wenn durch ihn ein explosionsfähiges Gemisch weder betriebsmäßig noch im Fehlerfall durch elektrische Funken oder thermische Einflüsse unter festgelegten Prüfbedingungen entzündet werden kann. Grundlegende Maß- nahmen bei der Eigensicherheit sind somit die Begrenzung von Spannung, Strom, Leistung und Temperatur auf sichere Werte im Betrieb sowie unter definierten Fehlerbedingungen. Beispiels- weise aus dem Buch "Explosionsschutz durch Eigensicherheit" von Wolf-Dieter Dose, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1993, Seiten 55 bis 58, ist die Begrenzung der Spannung mit redundant ausgeführten Zenerdioden bekannt, die zwischen die beiden potentialführenden Leitungen geschaltet werden. Diese Anordnung wird auch "Zenerdioden-Barriere" bezeichnet. Für elektrische Betriebsmittel der Kategorie "ia" werden drei Dioden, d. h. zweifache Redundanz, verwendet. Für elektrische Betriebs- mittel der Kategorie "ib" genügen zwei Dioden.
Zur Bereitstellung einer zum Betrieb eines elektronischen Geräts in eigensicheren Bereichen erforderlichen Gleichspannung aus einer Wechselspannung wird üblicherweise ein Brückengleichrichter, in dessen Brückenzweigen einfache
Dioden angeordnet sind, verwendet. Durch eine nachgeschaltete Zenerdioden-Barriere wird verhindert, daß die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters einen in einem eigensicheren Stromkreis vorgegebenen Maximalwert nicht übersteigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begrenzung für eigensichere Betriebsmittel zu schaffen, die mit geringem Aufwand realisierbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begrenzung der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß zum Aufbau einer Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begrenzung in eigensicheren Stromkreisen nur wenige Bauelemente benötigt werden. Sie beruht auf der Erkenntnis, daß bereits mit einem Brückengleichrichter, der in den vier Brückenzweigen jeweils eine Zenerdiode aufweist, deren Zenerspannung derart bemessen ist, daß die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters einen in einem eigensicheren Stromkreis vorgegebenen Maximalwert nicht übersteigt, eine einfache Redundanz der Begrenzungselemente gegeben ist. Die einfache Redundanz genügt bei elek- tronischen Betriebsmitteln mit Eigensicherheit der Kategorie " ib" .
Durch die geringere Zahl der verwendeten Bauelemente wird zudem weniger Platz zum Aufbau der Schaltungsanordnung in einem elektronischen Gerät benötigt, so daß das elektronische Gerät kompakter aufgebaut werden kann oder mehr Platz für weitere Schaltungsteile zur Verfügung steht.
Die Schaltungsanordnung ermöglicht bereits bei Verwendung von insgesamt nur fünf Zenerdioden eine Spannungsgleichrichtung und Spannungsbegrenzung mit zweifacher Redundanz der Begrenzungsdioden, wenn der Brückengleichrichter mit vier Zenerdioden versehen und zur Begrenzung der Ausgangsspannung des Brückengleichrichters eine weitere Zenerdiode verwendet wird.
Um bei zweifacher Redundanz die Ausgangsspannung sowohl in positiver als auch in negativer Polarität auf einen zulässigen Maximalwert zu beschränken, war bisher eine Zenerdioden- Barriere mit sechs Zenerdioden, die in drei Zweigen jeweils paarweise gegeneinander geschaltet werden, erforderlich. Zur Gleichrichtung mit einem Brückengleichrichter wurden weitere vier Dioden benötigt. In vorteilhafter Weise genügen bei der neuen Schaltungsanordnung hierzu bereits sechs Zenerdioden, von welchen vier im Brückengleichrichter verwendet und zwei zwischen den potentialführenden Leitern der Ausgangsseite gegeneinander geschaltet werden.
Vorteilhaft kann zur Stabilisierung der Ausgangsspannung des Brückengleichrichters ein Kondensator vorgesehen werden. Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begrenzung in eigensicheren Stromkreisen mit einfacher Redundanz, Figur 2 eine Schaltungsanordnung mit zweifacher Redundanz und
Figur 3 eine Schaltungsanordnung mit zweifacher Redundanz und bipolarer Spannungsbegrenzung.
Eine Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begrenzung besteht gemäß Figur 1 aus einem Brückengleichrichter, der in seinen vier Brückenzweigen jeweils eine Zenerdiode 1, 2, 3 bzw. 4 aufweist. Dieser Brückengleichrichter wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel von einem Transformator 5 mit Wechselspannung gespeist. In der posi- tiven Halbwelle, d. h. in der Phase, wenn das Potential auf einer Leitung 6 oberhalb des Potentials einer Leitung 7 liegt, werden die Zenerdioden 2 und 3 in Durchlaßrichtung, die Zenerdioden 1 und 4 in Sperrichtung betrieben. Die positive Halbwelle wird somit auf die Ausgangsseite des Brücken- gleichrichters, die durch zwei Leitungen 8 und 9 gebildet wird, übertragen. Übersteigt die Ausgangsspannung zwischen den Leitungen 8 und 9 die um die Durchlaßspannung der Dioden 2 oder 3 verminderte Zenerspannung der Zenerdiode 1 bzw. 4, so wird die Zenerdiode 1 bzw. die Zenerdiode 4 leitend und verhindert ein weiteres Ansteigen der Spannung. Bei geeigneter Wahl der Zenerspannungen ist damit sichergestellt, daß die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters einen in einem eigensicheren Stromkreis vorgegebenen Maximalwert nicht übersteigt. Fällt eine der beiden Zenerdioden 1 oder 4 aus, so wird die Ausgangsspannung noch durch die verbleibende Zenerdiode 4 bzw. 1 begrenzt. Es liegt also eine einfache Redundanz der Spannungsbegrenzung vor, die für Eigensicherheit der Kategorie " ib" ausreicht. In bekannter Weise wird durch den Brückengleichrichter auch eine negative Halbwelle zwischen den Leitungen 6 und 7 als positive Halbwelle auf die Leitungen 8 und 9 der Ausgangsseite übertragen. Für eine zuver- lässige Begrenzung der Ausgangsspannung sorgen nun die Zenerdioden 2 und 3, und zwar wiederum mit einfacher Redundanz. Zur Stabilisierung der Ausgangsspannung dient ein Kondensator 10, der zwischen die Leitungen 8 und 9 geschaltet ist.
In Figur 2 ist ebenfalls eine Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begrenzung dargestellt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zwischen die Leitungen 8 und 9 auf der Ausgangsseite des Brückengleichrichters ist zusätzlich eine Zenerdiode 11 geschaltet, die zur Begrenzung der Ausgangsspannung auf den vorgegebenen
Maximalwert in Sperrichtung betrieben wird. Dadurch wird eine zweifache Redundanz der Begrenzungselemente erreicht. Die Zenerspannung der Zenerdiode 11 kann um die Durchlaßspannung der Zenerdioden 1 ... 4 niedriger als deren Zenerspannung sein. Dadurch sprechen alle Begrenzungsdioden bei derselben Überspannung an.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß Figur 3 ist der Ausgang des Brückengleichrichters mit zwei gegeneinandergeschalteten Zenerdioden 12 und 13 versehen. Damit wird eine bipolare Begrenzung der Ausgangsspannung auf einen vorgegebenen Maximalwert sichergestellt. Auch hier liegt zweifache Redundanz vor, wie sie für Eigensicherheit der Kategorie "ia" gefordert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begrenzung mit einem Brückengleichrichter, der in den Brückenzweigen jeweils eine Zenerdiode (1 ... 4) aufweist, dadurch gekennzeichne , daß die Zenerspannung der Zenerdioden (1 ... 4) derart bemessen ist, daß die Ausgangsspannung des Brückengleich- richters einen in einem eigensicheren Stromkreis vorgegebenen Maximalwert nicht übersteigt.
2. Schaitungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Brückengleich- richrers durch eine weitere Zenerdiode (11) begrenzt ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters durch eine Reihenschaltung zweier entgegengesetzt gepolter Zenerdioden (12, 13) begrenzt ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung der Ausgangsspannung des Brückengleichrichters ein Kondensator (10) vorgesehen ist.
PCT/DE1999/004033 1998-12-21 1999-12-20 Schaltungsanordnung zur spannungsgleichrichtung und -begrenzung WO2000038293A1 (de)

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