DE102007016704A1

DE102007016704A1 - Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung

Info

Publication number: DE102007016704A1
Application number: DE102007016704A
Authority: DE
Inventors: Fritz Frey; Manfred Kaiser
Original assignee: R Stahl Schaltgeraete GmbH
Current assignee: R Stahl Schaltgeraete GmbH
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2008-10-09
Also published as: US20100116633A1; WO2008122339A1; US8649145B2; EP2132851A1

Abstract

Eine Schaltungsanordnung zum Erzwingen einer eigensicheren Situation in einer gefährdeten Zone weist eine erste Schalteinrichtung auf, die im Längszweig liegt, und eine zweite Schalteinrichtung im Querzweig. Beim Auftreten eines Fehlers, der die Bedingungen der Eigensicherheit verletzen würde, wird zunächst die erste Schalteinrichtung gesperrt und sodann mit einer verzögerten Zeit die zweite Schalteinrichtung durchgeschaltet, so dass die Ausgangsklemmen miteinander kurzgeschlossen sind. Zusätzlich ist noch eine Überwachungseinrichtung vorgesehen, die die Lastbedingungen an der im Längszweig enthaltenen Schalteinrichtung überwacht.

Description

Um unerwünschte gefährliche Zündungen zündfähiger Gasgemische in gefährdeten Bereichen zu vermeiden, gibt es eine Reihe von Ex-Schutzmaßnahmen. Hierzu gehört die Schutzmaßnahme "Eigensicherheit". Gemäß dieser Schutzvorschrift muss bei elektrischen Leitungen, die in explosionsgefährdete Bereiche hineinführen, dafür gesorgt werden, dass, falls ein Funke entsteht, die Energie des Funkens nicht ausreicht, das Gasgemisch zu zünden. Dementsprechend muss dafür gesorgt werden, dass die Spannung auf der Leitung und der maximal übertragende Strom innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt.
Um dies zu erzwingen sind so genannte Sicherheitsbarrieren bekannt. Diese haben im allgemeinen im Längszweig einen ohmschen Widerstand oder Transistoren. Aufgrund ihres Schaltungsaufbaus sind sie in der Regel zur Stromversorgung moderner Bussysteme nicht geeignet.
Darüber hinaus weisen sie den Nachteil auf, in der Regel Bauelemente zu enthalten, die beim Überschreiten bestimmter Grenzwerte irreparabel zerstört werden. In der Folge muss nicht nur dasjenige Gerät ausgewechselt werden, das Schadensverursacher gewesen ist sondern auch die Sicherheitsbarriere. Hierdurch entsteht naturgemäß ein erheblicher Zeitverlust beim Betrieb der Anlage, die durch die Sicherheitsbarriere geschützt wird.
Soweit im Längszweig Halbleiter verwendet werden, üblicherweise heute selbstsperrende Feldeffekttransistoren, kommt eine weitere Schwierigkeit hinzu. Ein thermisch überlasteter Halbleiter lässt sich unter Umständen über seinen Steuereingang nicht mehr ordnungsgemäß abschalten.
Es sind ferner Anwendungen bekannt, bei denen aus der zugeführten elektrischen Energie in der gefährdeten Zone über Wandler Hilfsspannungen erzeugt werden. Wenn ein solcher Wandler versagt und eine zu große Spannung liefert, kann mit den klassischen Sicherheitsbarrieren hier nicht mehr eingegriffen werden. Die übermäßige Spannung entsteht hinter der Sicherheitsbarriere und nicht an deren Eingang.
Schließlich zeigen bekannte Sicherheitsbarrieren die Eigenschaft, die elektrische Verbindung zwischen Ein- und Ausgang zu unterbrechen, können jedoch üblicherweise nicht am Ausgang schädliche aus der gefährdeten Zone zurückkommende Spannungen kurz schließen.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung Sicherheitsschaltungsanordnungen zu schaffen, die, je nach Ausgestaltung ein oder mehrere der oben genannten Probleme bewältigen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltanordnung durch die Merkmale des Anspruches 1 oder des Anspruches 15 gekennzeichnet.
Die neue Sicherheitsschaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung unter Einhaltung der Vorschriften für explosionsgeschützte Bereiche weist einen zweipoligen Energieeingang und einen zweipoligen Energieausgang auf. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss des Energieeingangs und dem ersten Ausgangsanschluss des Energieausgangs liegt eine erste gesteuerte Schalteinrichtung, die dazu eingerichtet ist, im Normalfall die elektrische Verbindung zwischen Ein- und Ausgang herzustellen und im Fehlerfall zu unterbrechen. Es ist ferner eine zweite gesteuerte Schalteinrichtung vorgesehen, mit der die beiden Ausgangsanschlüsse des Energieausgangs überbrückt werden können. Hierdurch wird sichergestellt, dass im Fehlerfall an den nach dem Öffnen der ersten Schalteinrichtung nicht mehr beschalteten Anschlüssen undefinierte Spannungen auftreten können, die unter Umständen das zulässige Maß überschreiten. Solche Situationen können auftreten, wenn im Anschluss an die Schaltungsanordnung Energiespeicher vorhanden sind in Verbindung mit Wandlern, so dass überhöhte Spannungen entstehen können oder auch überhöhte Spannungen in Folge von elektrostatischen Aufladungen.
Um zu verhindern, dass die erste Schalteinrichtung beim Aktivieren der zweiten Schalteinrichtung elektrisch überlastet wird, ist eine Verzögerungsschaltung vorgesehen, die die zweite gesteuerte Schalteinrichtung erst dann in den leitenden Zustand bringt, wenn die erste Schalteinrichtung die elektrische Verbindung zu dem Eingang der Schaltungsanordnung unterbrochen hat.
Gemäß der zweiten Lösung ist eine Sicherheitsschaltungsanordnung vorgesehen, die wiederum einen zweipoligen Energieeingang zu einen zweipoligen Energieausgang aufweist. Während der zweite Eingang mit dem zweiten Ausgang direkt verbunden ist, liegt in der Verbindungsleitung zwischen dem ersten Eingang zu dem ersten Ausgangsanschluss eine gesteuerte Schalteinrichtung, üblicherweise ein Halbleiterschalter. Um sicher zu stellen, dass der Halbleiterschalter nicht in thermisch gefährliche Betriebsbereiche gelangt, die möglicherweise ein ordnungsgemäßes Abschalten verhindern, ist zusätzlich eine Leistungs- und/oder Stromüberwachungsschaltung vorgesehen, mit deren Hilfe der Strom und/oder die Verlustleistung an der ersten Schalteinrichtung überwacht wird. Sobald ein Grenzwert überschritten wird, sorgt die Leistungs- und/oder Stromüberwachungsschaltung für ein Unterbrechen durch die erste Schalteinrichtung.
In jedem Falle kann die erste Schalteinrichtung im Längszweig einen Feldeffekttransistor, vorzugsweise einen selbstsperrenden Feldeffekttransistor, enthalten.
Um ein ordnungsgemäßes Starten der Sicherheitsschaltungsanordnung zu gewährleisten, wenn erstmalig eine Versorgungsspannung an den Eingang der Sicherheitsschaltungsanordnung gelegt wird, kann vorzugsweise zusätzlich ein im Längszweig liegender ohmscher Widerstand vorhanden sein, mit dem die erste Schalteinrichtung überbrückt wird. Der Wert dieses Widerstands ist so bemessen, dass in keinem Falle eine gegebenenfalls vorhandene zweite Schalteinrichtung überlastet wird, oder die Sicherheitskriterien am Ausgang der Schaltungsanordnung überschritten werden.
Gemäß einer Änderung kann, entsprechend der zweiten Lösung, auch bei der ersten Lösung eine Strom- und/oder Verlustleistungsüberwachungsschaltung vorgesehen sein, die die entsprechenden Parameter der ersten Schalteinrichtung überwacht.
Die Leistungs- und/oder Stromüberwachungsschaltung kann einen Verstärker enthalten, dessen Steuereingang zu der ersten Schalteinrichtung parallel geschaltet ist. Mit Hilfe eines Verstärkers kann ein Steuerstrom erzeugt werden, der sowohl die erste Schalteinrichtung in den Sperrzustand als auch die zweite Schalteinrichtung in den leitenden Zustand überführt. Dieser Verstärker kann ein Verstärker sein, der gleichzeitig auch die Funktion der Leistungs- und/oder Stromüberwachungsschaltung erbringt.
An diesem Eingang des Verstärkers kann eine Oder-Schaltung angeschlossen werden, deren Eingänge im einfachsten Falle lediglich durch hinreichende große Widerstände elektrisch voneinander entkoppelt sind. Über diese Eingänge kann wahlweise der Spannungsabfall an der ersten Schalteinrichtung und zusätzlich ein weiteres Signal eingespeist werden, das sich beispielsweise aus der Spannung eines nachgeschalteten Spannungswandlers oder der Sicherheitsschaltung selbst ableiten lässt.
Die Verzögerungsschaltung, die der zweiten Schalteinrichtung zugeordnet ist, kann in deren Eingang implementiert sein. Im einfachsten Falle kann die Verzögerungsschaltung von einem RC-Glied gebildet sein, zu dessen Kondensator der Steuereingang der zweiten Schalteinrichtung parallel liegt.
Die zweite Schalteinrichtung kann von einem selbsthaltenden elektronischen Bauelement gebildet sein, beispielsweise einem Thyristor oder Triac. Diese Bauelemente haben den Vorteil, dass die Schaltungsanordnung sehr ein einfach wird.
Am Ausgang der Sicherheitsschaltungsanordnung kann ein Spannungswandler, vorzugsweise ein Drosselwandler, angeschlossen sein, mit dem aus der zugeführten Spannung verlustarm eine zweite Spannung mit geringerer Amplitude erzeugt wird.
An dem Ausgang des Spannungswandlers kann eine Vergleichschaltung angeschlossen sein, die ein Steuersignal für die Sicherheitsschaltungsanordnung erzeugt, falls die Ausgangsspannung einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Im Übrigen sind Weiterbildungen der Erfindung Gegenstand von Unteransprüchen.
Die nachfolgende Figurenbeschreibung erläutert Aspekte zum Verständnis der Erfindung. Dabei soll das wiedergegebene Schaltbild in der für den Fachmann üblichen Weise die verbale Erläuterung ergänzen und das Verständnis erleichtern. Es ist klar dass eine Reihe von Abwandlungen möglich sind.
Die Worte "Eingang" oder "Ausgang" können gegebenenfalls wahlweise entsprechend dem Sinngehalt Einzelanschlüsse oder zweipolige Anschlüsse bedeuten. Für den Fachmann ist klar, was jeweils gemeint ist.
1 zeigt ein Blockschaltbild gemäß einem ersten Aus führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltungsanordnung.
2 zeigt ein Blockschaltbild für ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der neuen Sicherheitsschaltungsanordnung.
3 zeigt ein ausführliches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltungsanordnung, in der die Funktionen der Ausführungsbeispiele nach den 1 und 2 implementiert sind.
1 zeigt eine Sicherheitsschaltungsanordnung, die dazu vorgesehen ist, die elektrische Verbindung zu unterbrechen, wenn am Ausgang eine zu hohe Spannung auftritt.
Die Schaltungsanordnung weist einen Eingang 1 mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss 2, 3 sowie einen zweipoligen Ausgang 4 mit einem ersten Ausgangsanschluss 5 und einem zweiten Ausgangsanschluss 6 auf. Die beiden Anschlüsse 3 und 6 sind unmittelbar galvanisch verbunden, während in der Verbindung zwischen dem ersten Eingangsanschluss 2 und dem ersten Ausgangsanschluss 5 eine elektronische Schalteinrichtung 7 angeordnet ist, die einen Steuereingang 8 aufweist. Über den Steuereingang 8 kann die elektronische Schalteinrichtung 7 wahlweise in den leitenden oder in den gesperrten Zustand umgeschaltet werden. Im leitenden Zustand besteht eine Verbindung zwischen den Anschlüssen 2 und 5 während im gesperrten Zustand die Verbindung unterbrochen ist.
Der Schalteinrichtung 7 ist eine kombinierte Leistungs- und/oder Stromüberwachungsschaltung 9 zugeordnet mit Anschlüssen 11, 12 und 13. Die Anschlüsse 11 und 13 bilden den Steuereingang und sie sind mit den Anschlüssen 2 und 5 verbunden. Anschluss 12 hingegen ist ein Ausgang, der mit dem Steuereingang 8 verbunden ist.
Die unterschiedlichen Signale, die zum Umschalten der Schalteinrichtung dienen können, sind in der Figur schematisch mit s als Funktion der Temperatur, der Spannung oder der Leistung bezeichnet.
Die Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:
Mit den Eingangsanschlüssen 2 und 3 ist eine nicht weiter gezeigte Stromversorgungsquelle verbunden, die in der Lage ist eine Spannung zu liefern, die den Bedingungen Eigensicherheit im Explosionsschutz genügt. An die Anschlüsse 5 und 6 ist ein Verbraucher angeschlossen, der über die Schaltungsanordnung gemäß 1 seine elektrische Energie bezieht. Im Normalbetrieb ist das Signal s, das an den Steuereingang 8 der Schalteinrichtung 7 geliefert wird so, dass die Schalteinrichtung 7 im durchgeschalteten Zustand bleibt.
Sollte über den Steuereingang 8 ein Signal s gelangen, das der Schalteinrichtung eine gefährliche Betriebssituation signalisiert, beispielsweise indem auf der Sekundärseite im explosionsgeschützten Bereich an Bauteilen, die über die Schalteinrichtung 7 mit elektrischer Energie versorgt werden, die Temperatur unzulässig ansteigt, eine zu hohe Spannung auftritt, oder an irgendeiner Stelle zu hohe Verlustleistungen entsteht, gelangt dieses Signal s in den Steuereingang 8 und veranlasst, die Schalteinrichtung 7 die Stromverbindung zwischen dem ersten Eingangsanschluss 2 und dem ersten Ausgangsanschluss 5 zu unterbrechen. Der nunmehr noch mögliche Stromfluss entspricht dem, was die Überwachungsschaltung 9 von dem Anschluss 11 zu dem Anschluss 13 maximal durchlässt. Da dieser Strompfad sehr hochohmig ist, sind gefährliche Schaltzustände mit Sicherheit ausgeschlossen. Die Bedingung Eigensicherheit wird auf der Ausgangs- oder Sekundärseite der Schaltungsanordnung aufrecht erhalten.
Sollte im Normalbetrieb eine Situation auftreten, bei der der Spannungsabfall an der Schalteinrichtung 7 ein vorgegebenes Maß übersteigt, veranlasst die Überwachungseinrichtung 9 ein Abschalten der Schalteinrichtung 7. Hierzu generiert sie an ihrem Ausgang 12 ein Signal, dass in den Steuereingang 8 eingespeist wird und die Schalteinrichtung 7 veranlasst, abzuschalten.
Eine zu hohe Spannung über die Schalteinrichtung 7 kann die Folge eines zu hohen Strombedarfs auf der Ausgangsseite der Schaltung nach 1 sein, oder aber eine zu starke Erwärmung mit der Folge eines zu hohen Spannungsabfalls, obwohl der zulässige Strom noch nicht überschritten ist.
Die Schalteinrichtung 7 wirkt somit gleichzeitig als Stromsensorwiderstand, wobei der auftretende Spannungsabfall über die Überwachungsschaltung 9 ermittelt wird. Beim Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes erfolgt die oben erwähnte Abschaltung.
Darüber hinaus gestattet die Überwachungsschaltung 9 das Einhalten bestimmter Verlustleistungsbedingungen zu erzwingen. Beispielsweise haben Mosfet-Transistoren die Eigenschaft, bei zu hoher Temperatur ihre Fähigkeit zum Abschalten zu verlieren. Wenn in der Schalteinrichtung 7 als Leistungsbauelement ein solcher Mosfet verwendet wird, wird mit Hilfe der Überwachungsschaltung 9 sichergestellt, dass die Temperatur und damit der Spannungsabfall an dem Mosfet unterhalb bestimmter Grenzen bleiben, die ein sicheres Abschalten des Mosfet gewährleisten.
2 zeigt das Blockschaltbild einer Schaltung, die wiederum dafür geeignet ist, auf der Ausgangsseite die Energie abzuschalten, sollte eine unzulässige Bedingung auf der Sekundärseite auftreten. Bereits beschriebene Elemente der Schaltung nach 2 sind mit demselben Bezugszeichen belegt, wie in 1.
Gemäß 2 liegt parallel zu den beiden Ausgangsanschlüssen 5, 6 des Ausgangs 4 eine zweite Schalteinrichtung 14 mit Anschlüssen 15 und 16. Dabei bilden die Anschlüsse 15, 17 die Hauptstrecke der Schalteinrichtung, während der Anschluss 17 den Steuereingang darstellt. Bei einem entsprechenden Signal an dem Eingang 17 wird die Hauptstrecke zwischen den Anschlüssen 15 und 16 leiten und schließt damit den Ausgang 4 kurz. Zwischen dem Eingang 17 und dem Steuersignal s liegt ein Verzögerungsglied 18 mit Anschlüssen 19 und 21.
Die Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:
Sollte das Steuersignal s einen Zustand erreichen, der ein Abschalten der ersten Schalteinrichtung 7 bewirkt, gelangt dieses Steuersignal zusätzlich in den Eingang des Verzögerungsglieds 18. Nach einer vorgegebenen Zeit von 5 Millisekunden bis 20 Millisekunden bewirkt das anstehende Steuersignal s, dass die zweite Schalteinrichtung 14 durchgeschaltet wird. Mit dem Durchschalten wird der Ausgang 4 kurzgeschlossen.
Das Steuersignal s gelangt unverzögert in den Steuereingang 8 der ersten Schalteinrichtung 7, damit vor dem Kurzschließen des Ausgangs 4, die an dem Eingang 1 angeschlossene Energiequelle weggeschaltet ist. Der maximal auftretende Kurzschlussstrom entspricht jenem Strom, der im Fehlerfall in Richtung auf den Ausgang 4 von der dort angeschlossenen Schaltung zurückgeliefert werden kann. Mit anderen Worten, vor dem Kurzschließen des Eingangs wird zunächst die Energiequelle weggeschaltet.
Es leuchtet ohne weiteres ein, dass die Überwachungsschaltung 9 gemäß 1 auch bei der Schaltung nach 2 implementiert werden kann.
3 zeigt ein Detailschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung, in der die Schaltungsblöcke 7, 9, 14 und 18 realisiert sind. Im Übrigen werden für bereits beschriebene Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
Wie zu erkennen ist, bildet ein Mosfet 22 den Hauptbestandteil der ersten Schalteinrichtung 7. Die Source des Mosfet 22 ist über eine Drossel 23, zu der eine wie gezeigt gepolte Diode 24 parallel liegt, mit dem ersten Eingangsanschluss 2 verbunden. Der Drain des Mosfet 22 bildet gleichzeitig den Ausgangsanschluss 5. Source und Drain des Mosfet 22 sind über einen Widerstand 25, der im praktischen Betrieb bei ca. 50 Ohm liegt, überbrückt.
Von dem Gate des Mosfets 22 führt ein Vorschaltwider stand 26 zu dem Eingangsanschluss 8, der über einen Widerstand 27 an die Schaltungsmasse angeschlossen ist, nämlich der Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Eingangsanschluss 3 und dem zweiten Ausgangsanschluss 6.
Den aktiven Teil der Überwachungsschaltung 9 bildet ein bipolarer Transistor 28. Sein Emitter bildet den Anschluss 11 und sein Kollektor den Anschluss 12. Von der Basis des Transistors 28, die gleichzeitig den Anschluss 13 darstellt, führt ein Widerstand 29 zu dem Drain des Mosfet 22. Der Widerstand 29 kann ein ohmscher Widerstand sein, oder ein NTC-Widerstand. Bei Verwendung eines NTC-Widerstands wird bei der Regelcharakteristik selbsttätig eine ansteigende oder abfallende Umgebungstemperatur berücksichtigt, die die Überwachungsschaltung 9 mehr oder weniger empfindlich macht.
Zwei Entstörkondensatoren 31 und 32 führen von der Basis des Bipolaren Transistors 28 einerseits zu der Source des Mosfet 22 und andererseits zu dessen Drain.
Das aktive Element der zweiten Schalteinrichtung 14 ist ein Thyristor 34, dessen Anode mit dem Drain des Mosfet 22 bzw. dem ersten Ausgangsanschluss 5 verbunden ist, während die Kathode an dem zweiten Ausgangsanschluss 6 liegt.
Die Verzögerungsschaltung 18 setzt sich aus einem Widerstand 35 und einem Kondensator 36 zusammen. Der Widerstand 35 verbindet den Steueranschluss des Thyristors 34 mit dem Steuereingang 8, d. h. mit dem Kollektor des bipolaren Transistors 28. Der Kondensator 36 hingegen verbindet den Steueranschluss des Thyristors 34 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 6.
Mit Hilfe der Schaltungsanordnung wird ein Spannungswandler 37, vorzugsweise ein Drosselwandler, mit elektrischer Energie versorgt. Der Drosselwandler 37 weist einen Eingangsanschluss 38, einen Masseanschluss 39 und einen Ausgangsanschluss 41 auf. Der Eingangsanschluss 38 liegt an dem ersten Ausgangsanschluss 5, während der Masseanschluss 39 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 6 verbunden ist. Zum Zwecke der Entstörung liegt zu den beiden Ausgangsanschlüssen 5, 6 ein Kondensator 42 parallel.
Der Kondensator 42 ist ein Elektrolytkondensator, mit dessen Hilfe der stark pulsierende Strom, den der Drosselwandler 37 zieht, aus der Sicht des Feldeffekttransistors 22 geglättet werden soll.
Dem Ausgang 41 des Drosselwandlers 37 ist eine weitere Drossel 43 nachgeschaltet, die zu dem eigentlichen Ausgangsanschluss 44 führt. An diesem Ausgang 44 steht gegenüber der Schaltungsmasse bzw. einen zu dem zweiten Ausgangsanschluss 6 galvanisch direkt durch verbundenen Anschluss 45 eine Spannung zur Verfügung, die durch den Drosselwandler 37 herauf oder herunter, vorzugsweise heruntergesetzt ist.
Von dem Ausgangsanschluss 44 führt eine Diode 46 zu dem Drain des Feldeffekttransistors 22.
Zwischen den Anschlüssen 44 und 45 liegt eine Spannungsüberwachungseinrichtung 47, deren aktiver Hauptbestandteil ein bipolarer Transistor 48 sowie ein Shunt-Regulator 49 sind. Der bipolare Transistor 48 ist mit seinem Emitter an dem Ausgangsanschluss 44 angeschlossen, während seine Basis zu dem Shunt-Regulator 49 führt, der an dernends mit der Schaltungsmasse bzw. im Ausgangsanschluss 45 bzw. 6 verbunden ist. Der Steuereingang des Shunt-Regulators 49 liegt an einem aus ohmschen Widerständen gebildeten Spannungsteiler aus Widerständen 51, 52 und 53, die die zwischen den Anschlüssen 44 und 45 liegende Spannung so herunter teilen, dass der Shunt-Regulator 49 beim Überschreiten einer vorgegebenen Spannung zwischen den Anschlüssen 44 und 45 leitend wirkt. Diese Spannung ist naturgemäß größer als die Summe aus der Basisemitterspannung des Transistors 48 und der Steuerspannung, bei der der Shunt-Regulator 49 normalerweise durchschaltet.
Über einen Vorschaltwiderstand 55 ist der Kollektor des Transistors 48 mit der Basis eines Verstärkertransistors 56 verbunden, dessen Basis über einen Widerstand 57 geerdet ist. Der Transistor 56 liegt über einen ohmschen Widerstand 58 an dem Steuereingang 13, d. h. der Basis des Transistors 28.
Die Funktionsweise der Schaltung ist wie folgt:
Es wird zunächst angenommen, die Schaltung ist in Betrieb, d. h. an dem Eingang 1 eine Stromquelle angeschlossen ist und an den Ausgangsanschlüssen 44, 45 ein Verbraucher. Der Mosfet 22 ist leitend, der Thyristor 34 gesperrt und der Drosselwandler 37 arbeitet einwandfrei.
Solange die Spannung zwischen den Klemmen 44 und 45 innerhalb des zulässigen Bereiches bleibt, bleibt der Shunt-Regulator 49 gesperrt mit der Folge, dass auch der Transistor 48 gesperrt ist. Folglich gibt es keinen Basisstrom für den Transistor 56 der ebenfalls gesperrt bleibt. Wegen des Sperrzustandes des Transistors 56 zieht dieser keinen Strom über die Basis-Emitterstrecke des Transistors 8, weshalb auch dieser Transistor gesperrt bleibt. Da die Source des Mosfet 22 auf hohem Potential gegenüber der Schaltungsmasse liegt, ist das Gate über die Widerstände 26 und 27 mit der Schaltungsmasse und damit mit Minus verbunden, womit der Mosfet 22 voll durch gesteuert bleibt, bis in die Sättigung.
In Folge der Sperrung des Transistors 28 fließt auch kein Strom in den Steuereingang des Thyristors 34, der gesperrt bleibt.
Die Drossel 23 zusammen mit der Diode 24 haben auf die Funktion keinen Einfluss, sie sind lediglich aus Gründen der EMV vorhanden.
Die Diode 46 ist gesperrt, da die Ausgangsspannung des Drosselwandlers 37 an der Klemme 44 kleiner ist als die Ausgangsspannung an dem Drain des Mosfet 22.
Es sein nun ein Fehler angenommen, der darin besteht, dass die Ausgangsspannung des Drosselwandlers 37 den zulässigen Grenzwert überschreitet. Das Überschreiten des Grenzwerts wird mit Hilfe des Shunt-Regulators 49 ermittelt, der durchsteuert und damit einen Basisstrom für den Transistor 48 erzeugt. Der nunmehr leitende Transistor 48 liefert einen Basisstrom für den Transistor 56, der wiederum einen Basisstrom für den Transistor 28 erzeugt. Es fließt ein Strom von der Eingangsklemme 2 über die Basisemitterstrecke des Transistors 28, den Widerstand 58, über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 56 zu der Schaltungsmasse, d. h. zu der Eingangsklemme 3.
Da somit der Transistor 28 in den leitenden Zustand gesteuert ist, verbindet dessen Kollektor-Emitterstrecke über den Widerstand 26 das Gate des Feldeffekttransistors 22 mit dessen Source. Der Feldeffekttransistor 22 wird somit umgehend gesperrt.
Die erste Schalteinrichtung 7 ist folglich in den gesperrten Zustand übergegangen, während die zweite Schalteinrichtung 14 zunächst noch leitend ist.
Da der Transistor 28 im leitenden Zustand ist, kann von dem Eingangsanschluss 2 ein Strom über den Widerstand 35 der Verzögerungsschaltung 18 zu dem Kondensator 36 der Verzögerungsschaltung 18 fließen. Entsprechend der Zeitkonstanten steigt die Spannung an dem Kondensator 36 gegenüber der Schaltungsmasse bzw. der Kathode des Thyristors 34 an. Nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit entsprechend der Zeitkonstanten erreicht der Kondensator 36 eine Spannung, die ausreicht, um den Thyristor 34 zu triggern. Nach dem Triggern des Thyristors 34 wird über den Thyristor 34 der Ausgangsanschluss 5 mit dem Ausgangsanschluss 6, also der Schaltungsmasse verbunden. Damit ist der Stromversorgungseingang 38 des Drosselwandlers 37 geerdet und es treten zufolge des Abschaltens des Mosfet 22 keine undefinierten Potentialzustände in der nachfolgenden Schaltung auf.
Mit dem Triggern des Thyristors 34 wird der Kondensator 42 entladen, und es werden auch sämtliche Kapazitäten, die an der Ausgangsklemme 44 angeschaltet sind, über die nunmehr in Durchlassrichtung gepolte Diode 46 und den Thyristor 34 entladen.
Wie unschwer zu erkennen ist, sorgt der Widerstand 25 dafür, dass der Haltestrom für den Thyristor 34 fließen kann und der Thyristor 34 daran gehindert wird, nach dem Entladen der Kapazitäten wieder in den Sperrzustand überzugehen.
Nachdem die Störung auf der Sekundärseite der Schaltungsanordnung beseitigt ist, kann die Schaltungsanordnung wieder neu gestartet werden. Hierzu genügt es, an dem Eingang 1 kurzzeitig die Spannung abzuschalten, damit der Thyristor 34 in den Sperrzustand zurückkehren kann. Sobald dies gesehen ist, wird die Spannung an den Eingang 1 wieder angeschaltet.
Da zwischenzeitlich der Kondensator 42 entladen worden ist, stellt er für den Mosfet 22 einen Kurzschluss dar. Folglich wäre die Längsspannung an der Source-Drainstrecke des Mosfet 22 ausreichend groß, um den Transistor 28 über den Widerstand 29 leitend zu steuern, was ein Einschalten des Mosfet 22 auf Dauer verhindern würde. Der Widerstand 25, der im Fehlerfall dazu dient, den Haltestrom des Thyristors 34 zu erzeugen dient nunmehr als Anlauf- oder Startwiderstand, über den der Kondensator 42 allmählich aufgeladen wird. Dadurch wird die Spannung an der Drain-Sourcestrecke des Mosfet 22 verringert und dafür gesorgt, dass der Transistor 28 im Sperrzustand bleibt.
Ab einer gewissen Spannung an dem Kondensator 42 wird der Mosfet 22 durch gesteuert und lädt nunmehr niederohmig den Kondensator 42 auf und versorgt im Übrigen die restliche Schaltung mit Strom.
Die Schaltung ist damit wieder in dem Zustand vor dem Auftreten des Fehlers.
Als weiterer Fehler wird angenommen, dass der Spannungsabfall über die Drain-/Sourcestrecke des Mosfet 22 einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Das Überschreiten des Spannungsgrenzwertes kann eine Folge eines zu hohen Stromverbrauchs auf der Sekundärseite oder einer zu großen Erwärmung des Mosfet 22 infolge zu großer Verlustleistung sein. Letzteres könnte dazu führen, dass der Mosfet 22 nicht mehr steuerbar ist. Selbst beim Abschalten der Gatespannung würde er leitend bleiben, womit die Schaltung versagt.
Um dies zu verhindern wird mit Hilfe der Basis-Emitterstrecke des Transistors 28 der Spannungsabfall über die Drain-Sourcestrecke des Mosfet 22 gemessen. Übersteigt dieser Spannungsabfall einen konstruktiv vorgegebenen Wert, wird der Transistor 28 leitend und es wird derselbe Mechanismus eingeleitet, wie er zuvor in Verbindung mit einer zu hohen Spannung an der Ausgangsklemme 44 beschrieben ist. D. h. es wird zunächst der Mosfet 22 abgeschaltet und mit einer Verzögerung der Thyristor 34 durch gesteuert.
Wenn der Widerstand 29 wie eingangs erwähnt als NTC-Widerstand ausgeführt wird, wird die Überwachungsschaltung 9 mit zunehmender Temperatur sensibler. Es genügen mit zunehmender Temperatur kleinere Spannungsabfälle längs der Drain-Sourcestrecke des Mosfet 22 um den Transistor 28 zu aktivieren, damit es zur Abschaltung kommt.
Eine Schaltungsanordnung zum Erzwingen einer eigensicheren Situation in einer gefährdeten Zone weist eine erste Schalteinrichtung auf, die im Längszweig liegt und eine zweite Schalteinrichtung im Querzweig. Beim Auftreten eines Fehlers, der die Bedingungen der Eigensicherheit verletzen würde, wird zunächst die erste Schalteinrichtung gesperrt und sodann mit einer verzögerten Zeit die zweite Schalteinrichtung durchgeschaltet, so dass die Ausgangsklemmen miteinander kurzgeschlossen sind.
Zusätzlich ist noch eine Überwachungseinrichtung vorgesehen, die die Lastbedingungen an der im Längszweig enthaltenen Schalteinrichtung überwacht.

Claims

Schaltungsanordnung () zur Spannungsbegrenzung unter Einhaltung der Vorschriften für explosionsgeschützte Bereiche mit einem zweipoligen Energieeingang (1), der einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss (2, 3) aufweist, mit einem zweipoligen Energieausgang (4), der einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss (5, 6) aufweist, der mit dem zweiten Eingangsanschluss () verbunden ist, mit einer ersten gesteuerten Schalteinrichtung (7), über die die Verbindung zwischen dem ersten Eingangsanschluss (2) zu dem ersten Ausgangsanschluss (5) führt und die einen Steuereingang (8) aufweist, mit einer zweiten gesteuerten Schalteinrichtung (14), über die eine Verbindung von dem ersten Ausgangsanschluss (5) zu dem zweiten Ausgangsanschluss (6) läuft und die einen Steuereingang (17) aufweist, und mit einer Verzögerungsschaltung (18), deren Ausgang (21) mit dem Steuereingang (17) der zweiten gesteuerten Schalteinrichtung (14) und deren Eingang (19) mit dem Steuereingang (8) der ersten Schalteinrichtung (7) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalteinrichtung (7) im Längszweig () einen Feldeffekttransistor (22) vorzugsweise einen selbstsperrenden Feldeffekttransistor () enthält.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalteinrichtung (7) einen im Längszweig () liegenden ohmschen Widerstand (25) enthält.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Schalteinrichtung (7) einen Leistungs- und/oder Stromüberwachungsschaltung (9) zugeordnet ist, die die Verlustleistung an und/oder den Strom durch die erste Schalteinrichtung (7) erfasst und ein Steuersignal abgibt, wenn ein vorgegebener Grenzwert überschritten wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungs- und/oder Stromüberwachungsschaltung (9) einen Verstärker (28) aufweist, dessen Steuereingang (11, 13) zu der ersten Schalteinrichtung (7) parallel geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalteinrichtung (7) einen stromverstärkenden Transistor (28) enthält, dessen Ausgang (12) mit dem Steuereingang (8) der Verzögerungsschaltung (18) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (12) des Verstärkers (28) mit dem Steuereingang (8) des ersten Schalteinrichtung (7) verbunden ist
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite gesteuerte Schalteinrichtung (14) in ihrem Eingang () die Verzögerungsschaltung (18) enthält.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsschaltung (18) von einem RC-Glied (35, 36) gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite gesteuerte Schalteinrichtung (14) ein selbsthaltendes gesteuertes elektronisches Bauteil (34) enthält.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das selbsthaltende elektronische Bauteil (34) ein Thyristor () oder Triac () ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerverstärker (48, 56) vorgesehen ist, der eine Steuerspannung () für den Eingang (8) der ersten und der zweiten gesteuerten Schalteinrichtung (7, 14) erzeugt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsanordnung () ein Spannungswandler (37), vorzugsweise ein Drosselwandler (), nachgeschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung () des Spannungswandlers (37) mittels einer Referenzspannungserzeugung (49) überwacht wird und dass für die erste und die zweite gesteuerte Schalteinrichtung (7, 14) eine Steuerspannung () erzeugt wird, sobald die Ausgangsspannung () des Spannungs wandlers (37) einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Schaltungsanordnung () zur Spannungsbegrenzung unter Einhaltung der Vorschriften für explosionsgeschützte Bereiche mit einem zweipoligen Energieeingang (1), der einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss (2, 3) aufweist, mit einem zweipoligen Energieausgang (4), der einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss (5, 6) aufweist, der mit dem zweiten Eingangsanschluss (3) verbunden ist, mit einer ersten gesteuerten Schalteinrichtung (7), über die die Verbindung zwischen dem ersten Eingangsanschluss (2) zu dem ersten Ausgangsanschluss (5) führt und die einen Steuereingang (8) aufweist, und mit einer Leistungs- und/oder Stromüberwachungsschaltung (9), die der ersten gesteuerten Schalteinrichtung (7) zugeordnet ist und die die Verlustleistung an und/oder den Strom durch die erste Schalteinrichtung (7) erfasst und ein Steuersignal abgibt, wenn ein vorgegebener Grenzwert überschritten wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 15 in Kombination mit Merkmalen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14.