DE2056669B2

DE2056669B2 - Sicherheitsschaltung

Info

Publication number: DE2056669B2
Application number: DE2056669A
Authority: DE
Inventors: Martin J. Rochester N.Y. Morgan (V.St.A.)
Original assignee: Sybron Corp
Current assignee: Sybron Transition Corp
Priority date: 1970-02-11
Filing date: 1970-11-18
Publication date: 1978-05-24
Also published as: GB1341410A; NL165011C; CA938669A; GB1341409A; DE2056669C3; ZA707457B; DE2056669A1; FR2079352B1; KR790000034B1; NL7100040A; NL165011B; FR2079352A1; JPS461066A; US3631264A

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine Sicherheitsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs ist bereits aus der Zeitschrift »Proceedings IEE«, Band IU, Nr. 12, Dezember 1966, Seite 2070 bis 2073 bekannt. Jede Schranke dieser Sicherheitsschaltung weist drei Widerstände und zwei Zenerdioden auf, infolgedessen der Aufwand an Bauelementen relativ groß ist. Einer der drei Widerstände ist insbesondere zur zerstörungsfreien Prüfung jeder Schranke durch Impedanzmessung vorgesehen. Bei derartigen Sicherheitsschaltungen ist häufig ein Austausch von einzelnen Schranken notwendig, d. h. fehlerhafte Schranken müssen durch neue Schranken ersetzt werden. Der Aufbau von Schranken mit relativ vielen Bauelementen ist dabei nachteilig, da die fehlerhaft arbeitende Schranke im allgemeinen nach Ersatz durch eine neue Schranke weggeworfen wird. Der Aufbau der einzelnen Schranken erfordert den Einsatz einer schnell ansprechenden Sicherung, wodurch sich der Nachteil ergibt, daß die einzelnen Schranken bei kurzen Spannungsstößen außer Betrieb gesetzt werden. Die Vielzahl von Bauelementen, die bei der bekannten Sicherheitsschaltung vorgesehen werden müssen, trägt unweigerlich zu einer hohen Ausfallsquote bei, die letztlich abhängig von der Zahl der verwendeten Bauelemente ist. Der Aufbau dieser Sicherheitsschaltung ist relativ aufwendig, der Austausch einzelner Schranken ist mit vergleichbar hohen Kosten verbunden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitsschaltung mit Eigensicherheit zu schaffen, bei der die einzelnen Schranken einfachen Aufbau haben und bei der insgesamt eine größere Sicherheit gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird erfin.dungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptan- "> Spruchs gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltung hat hinsichtlich der verwendeten Schranken einfachen Aufbau, so daß ein Austausch von Schranken mit reduzierten

m Kosten verbunden ist. Die Vereinfachung des Aufbaus wird durch den Einsatz einer Haupt-Schranke ermöglicht, der die Gesamtfunklion der Sicherheitsschaltung verbessert. Darüber hinaus wird die Wahrscheinlichkeit eines erforderlichen Austausche einer Schranke verringert. Der Ausfall der Haupt-Schranke ist praktisch unmöglich, da die Hauptschranke einen Gleichrichter-Schutzkreis zur Überbrückung der in der Haupt-Schranke eingesetzten zweiten Zenerdiode enthält.
Die Sicherheitsschaltung, die eine Begrenzung elekfrischer Energie auf einen eigensicheren Betrag während einer Übertragung bewirkt, enthält η einzelne Schranken, von denen jede eine Sicherung und zwei Widerstände in Reihenschaltung und eine Zenerdiode zur Begrenzung der Spannung an der Verbindung der

J^r> Widerstände aufweist. Eine Hochspannungsschalteinrichtung fuhrt jede derartige Spannung zu der Hauptschranke, welche eine spannungsbegrenzende Zenerdiode aufweist. Die Zenerdiode ist durch einen gesteuerten Gleichrichter überbrückt, welcher leitend

ⁱ⁽> ist, wenn letztere Diode übersteuert wird. Bei der Sicherheitsschaltung ist im Gegensatz zum Bekannten eine Schranke durch zwei Schranken ersetzt, d. h. η Schranken sind durch (n+\) Schranken ersetzt, wobei der Aufbau der einzelnen Schranken derart vereinfacht

^r> ist, daß für verhältnismäßig kleine Werte von η die Kosten für (n+ I) Schranken geringer als die Kosten für η Schranken bei der bekannten Sicherheitsschaltung sind. Die (n+\) Schranke, d.h. die Haupt-Schranke, besteht aus einer einzigen Zenerdiode, die über eine ODER-Schaltung aus Dioden der Schranken mit diesen Schranken verbunden ist. Jede Schranke besteht aus einer Sicherung, zwei Widerständen, einer Zenerdiode und einem Teil der ODER-Schaltung. Durch die ODER-Schaltung wird erreicht, daß die Zenerdiode der Haupt-Schranke als die zweite Zenerdiode jeder einzelnen Schranke wirkt. Die einzelnen Schranken arbeiten daher wie die bekannten Schranken mit zwei Zenerdioden. Die Sicherheitsschaltung eignet sich aufgrund ihrer erhöhten Eigensicherheit auch für Atmosphären wie Acetylen oder Wasserstoff.

Die Wahrscheinlichkeit des Ausfalls einzelner Schranken der Sicherheitsschaltung ist verringert, da die Sicherungen der einzelnen Schranken für höhere Stromwerte ausgelegt sind. Ein Durchbrennen der Sicherungen durch kurze Spannungsstöße wird damit und aufgrund der begrenzenden Wirkung der Zenerdioden verhindert.

Besonders vorteilhaft ist der Ersatz einer der beiden Widerstände der Schranken durch einen strombegren-

^6U zenden Widerstand in Form von Transistorschaltungen, wodurch eine höhere Eigensicherheit erreicht wird.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an Hand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

^h> F i g. 1 den Aufbau der Sicherheitsschaltung,

F i g. 2 die Schaltung einer Schranke, bei der ein Widerstand durch eine FET-Schaltung ersetzt ist,
F i g. 3 ein gegenüber F i g. 2 abgewandeltes Schalt-

bild einer Schranke,

Fig.4 ein Schaltbild einer Schranke, bei der ein Widerstand durch einen einzigen FET ersetzt ist, und

Fig. 5 ein Schallbild einer weiteren Schranke mit einem einzigen Transistor.

Fig. 1 zeigt eine Sicherheitsschaltung mit insgesamt /7+1 Schranken. Nach Fig. 1 sind η Schranken 5 und eine die (n-f 1 )-te Schaltung bildende Haupt-Schranke 5 vorgesehen, wobei nur vier Schranken 5 dargestellt sind. Von einer Schränke 5 und einer Haupt-Schranke 5' sind Einzelheiten der jeweiligen Schaltung dargestellt.

Jede der η Schranken 5 enthält Widerstände Ru R], und eine Zenerdiode Zi, während die Haupt-Schranke 5' eine Zenerdiode Z₂ und 13, einen Widerstand 12 und einen Silizium-Gleichrichter U aufweist. Die Zenerdiode Zi ist über eine Leitung 6 mit einem äußeren Anschluß 7 der η-ten Schranke 5 verbunden. Die Schaltung der Schranken 5 ist vorzugsweise in Epoxyharz mit dem Rest der Schaltung dieser Schranke eingekapselt und weist eine Diode 8 auf, die den Anschluß 7 mit der Kathode der Zenerdiode Z\ verbindet. Da die Anode der Diode 8 mit der Kathode der Zenerdiode Z\ verbunden ist, wird eine positive Spannung von der Kathode der Zenerdiode Zi über die Diode 8 in Durchlaßrichtung an die Kathode der Zenerdiode Zi angelegt. Ein Vergleich der Zenerspannungen der Zenerdioden Z\ und Zi, deren Betrag in den Figuren angegeben ist, zeigt, daß die n-te Schranke S und die Haupt-Schranke 5' derart arbeiten, daß die Zenerdiode Zi vor der Zenerdiode Zi zündet.

Die übrigen π Schranken 5 haben gleiche Schaltung wie die n-te Schranke 5, was durch die (n — l)-te Schranke 5 angedeutet ist, die ein Gehäuse und äußere Anschlüsse 1 bis 4 und 7 aufweist. Der Anschluß 7 ist mit einer Leitung 6 verbunden. Die in F i g. 1 oben gezeigten Schranken 5 am Anfang der Sicherheitsschaltung, die an der Oberseite einer Erdleitung GB in einem Gehäuse vorgesehen sind, haben Anschlüsse I bis 4 und 7, wobei die Anschlüsse 7 in entsprechender Weise mit der Leitung 6 verbunden sind. Alle Schranken 5 sind eingekapselt und mit einem Gehäuse versehen, wie in Fig. 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Die (n+ l)-te Schranke hat nur zwei äußere Anschlüsse 9,10, von welcher der Anschluß 9 mit der Kathode der Zenerdiode Zi in Verbindung steht. Der Anschluß 10 ist an die Anode der Zenerdiode Zi und an die Erdleitung GB angelegt, welche auch als Halteeinrichtung für die (n+l)-te Schranke 5 dienen kann und vorzugsweise mehrfach geerdet ist, wie in F i g. 1 unten gezeigt ist.

Die Dioden 8 der einzelnen Schranken 5 bilden eine ODER-Schaltung, welche einen Höchstwert auswählt. Dies bedeutet, daß die Spannung an der Kathode der Zenerdiode Z₂ die höchste der Anodenspannungen der Dioden 8 ist. Diese höchste Spannung verursacht, daß die anderen Dioden in umgekehrter Richtung vorgespannt sind, wodurch die entsprechenden Schranken 5 gegenüber dem Anschluß 9 gesperrt sind. Wenn so beispielsweise die n-te Schranke 5 an ihrer Diode S die höchste Anodenspannung aufweist und wenn diese Anodenspannung groß genug ist, um die Zenerdiode Zi zu zünden, können die Anodenspannungen der anderen Dioden 8 einen beliebigen Wert haben, der auch groß genug für die Zündung der Zenerdiode Zi ist, *obei die Zündung durch diese letztere Anodenspannung nicht möglich ist, solange die Diode 8 der n-ten Schranke 5 die höchste Anodenspannung hat. Die Eigensicherheit für das an die Anschlüsse 3 und 4 der Schranke η angeschlossene nicht dargestellte Gerät ist sehr groß,

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während die Eigensicherheit für das mit den Anschlüssen 3, 4 der (n—l)-ten Schranke 5 verbundene Gerät etwas geringer ist, weil die λ —te Schranke die Zenerdiode Zi der (n+l)-ten Schranke, d.h. der Haupt-Schranke 5' steuert. Die Wahrscheinlichkeit, daß die n-te und (n-l)-te Schranke gleichzeitig arbeiten müssen, ist sehr gering und daher vernachlässigbar.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Sicharheitsschaltung ist beim Austausch einer nicht richtig arbeitenden Schranke durch eine neue Schranke nur eine Zenerdiode, zwei Präzisionswiderstände und die Diode 8 durch eine gleiche Schaltung mit diesen Bauteilen auszutauschen. Bis zu 50 Schranken 5 können in Verbindung mit nur einer Hauptschranke 5' vorgesehen werden, welche die Zenerdiode Zi enthält; die Zenerdiode Zi ist für eine große Zuverlässigkeit der Sicherheitsschaltung auszulegen. Die Zenerdiode Z₂ wird vorzugsweise auf 50 Watt ausgelegt. Dadurch ist nicht nur die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls der Zenerdiode Zi, sondern auch die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls der Zenerdiode Zi in den einzelnen Schrauben verringert. Die Wahrscheinlichkeit eines Austauschs einer Schranke aufgrund von Fehlern, die nicht durch den Ausfall einer Sicherung bedingt sind, sowie durch den Ausfall einer Sicherung aufgrund innerer Fehler in der Schranke ist damit reduziert.

Die Auslegung der Zenerdiode Z₂ für eine höhere Leistung ermöglicht eine hohe Auslegung der Sicherung F. Deshalb kann im Gegensatz zu einer Schrankenschaltung, bei der eine schnell ansprechende Sicherung mit Ve Ampere Verwendung findet, in den einzelnen Schranken eine schnell ansprechende Sicherung für 1 A verwende¹ werden. Dadurch wird ein Durchbrennen der Sicherung aufgrund von solchen Spannungsstößen verhindert, welche durch die Wirkung der Zenerdioden der Schranken unterdrückt werden können.

Da die Sicherung Flangsam ansteigende Spannungsstöße mit verhältnismäßig hohen Stromstärken aufnehmen kann, ist der Widerstand R\ vorzugsweise ein gewickelter Widerstand aus Draht für eine Durchgangsleistung von 2 W, so daß er wie eine träge Sicherung arbeitet. Deshalb öffnet ein langsamer Anstieg auf 1 Ampere, der die schnell ansprechende Sicherung F nicht durchschmelzen läßt, die Wicklung des Widerstands Ru da eine Leistung von 25 Watt in dem Widerstand Ri zu einem schnellen Durchbrennen seiner Wicklung führt.

Die Haupt-Schranke 5', welche die (n-\- l)-te Schranke in der Sicherheitsschaltung ist, enthält vorzugsweise einen Siliziumgleichrichter 11, einen Widerstand 12 mit 1 kn und eine Zenerdiode 13 (39 Volt, '/2 Watt), deren Anode über den Widerstand 12 mit der Kathode des angesteuerten Siliziumgleichrichters 11 verbunden ist. Da die Kathode der Zenerdiode 13 mit der Anode des Siliziumgleichrichters It und mit der Kathode der Zenerdiode Zi und die Kathode des Siliziumgleichrichters U mit der Anode der Zenerdiode Z₂ verbunden ist, wird der Siliziumgleichrichter 11 gezündet, wodurch sich ein Nebenschluß zur Zenerdiode Z₂ ergibt, wenn die Spannung an dem Anschluß 9 hinreichend angestiegen ist. Dadurch wird die Zenerdiode Z₂ geschützt. Normalerweise wird der Siliziumgleichrichter 11 nicht wirksam, wenn die Spannung am Anschluß 1 einer einzelnen Schranke 5 nicht ausreichend hoch zur Zündung der Zenerdiode Zi und zur Zündung der Zenerdiode Z₂ ist; die Sicherung Foder der Widerstand R\ kann nicht durchschmelzen. Die beiden Zenerdioden Zi und Z₂ werden durch die durch sie fließenden Ströme

übersteuert, so daß der Spannungsabfall an ihnen beträchtlich über ihre nominellen Zündspannungen ansteigen kann. Dieser Anstieg ist ein Maß für den durch die Zenerdiode Zi fließenden Strom. Der Siliziumgleichrichter 11 bewirkt einen Nebenschluß der Zenerdiode Zi, wenn ein solcher Anstieg vorliegt, daß der Strom durch die Zenerdiode eine solche Höhe erreichen würde, daß die Zenerdiode Zi beschädigt wird. Wenn die Spannung am Anschluß 9 diesen Wert erreicht, läßt die Zenerdiode 13 den Siliziumgleichrichter 11 leitend werden. Da im Leitzustand, d. h. bei einer Zündung des Siliziumgleichrichters 11 die Kathode der Zenerdiode Zi über den sehr kleinen Anoden-Kathoden-Widerstand des Gleichrichters geerdet wird, werden die Zenerdiode Zi und die Zenerdiode Z\ gesperrt. Wenn der Siliziumgleichrichter 11 in den Leitzustand geschaltet ist, bleibt er so lange leitend, bis er von der angeschlossenen Stromquelle wieder gesperrt wird. Der Siliziumgleichrichter 11 wird daher durch das Durchschmelzen der Sicherung F oder des Widerstands R₁ gesperrt. Der Siliziumgleichrichter 11 kann wesentlich höhere Ströme führen als jedes andere Element in der Schaltung der Schranken. Da der gesteuerte Siliziumgleichrichter 11 normalerweise leitend ist, ist er praktisch im Vergleich zu den normalerweise nicht leitenden Zenerdioden ausfallsicher, die nur während derjenigen kurzen Zeitspanne leitend sind, die zum Durchschmelzen der Sicherung benötigt wird.

Solange sichere Energiebeträge auftreten, stellen die Schranken nicht nur Gleichspannungsanschlüsse dar, welche einen Teil einer Übertragungsleitung bilden, die sichere Teile und gefährliche Teile einer Anlage mit Eigensicherheit verbindet. Diese Teile sind in den beiden oberen Schranken 5 in Fig. 1 als Gleichspannungsquellen und Wechselspannungsquellen und als Widerstände dargestellt, die eine mehr oder weniger lange Übertragungsleitung abschließen. Normalerweise verbindet die Übertragungsleitung die Gleichspannungsquellen mit den entsprechenden Lastwiderständen. Die Wechselspannungsquellen, welche z. B. Wechselspannungs-Netzleitungen darstellen, können für unsichere Energiewerte als Einrichtungen zum Schalten elektrischer Energie (Wechselspannung oder Gleichspannung) in den Übertragungsleitungen vorgesehen sein. Als Schalteinrichtungen müssen nicht übliche Schalteinrichtungen verwendet werden; es soll jedoch eine Einrichtung eingesetzt werden, die verhindern kann, daß eine Wechselspannung an eine Übertragungsleitung angelegt wird. Die Art der Geräte, die den sicheren und den gefährlichen Teil bilden, ist nicht wesentlich, da es sich funktionsmäßig in allen Fällen um elektrische Energiequellen und um die Last dieser Energiequellen handelt.

Das Ausmaß der Eigensicherheit der Sicherheitsschaltung nach Fig. 1 kann erhöht werden, indem die Widerstände R₃ durch Transistorschaltungen entsprechend den Fig.2 und 3 ersetzt werden. Derartige Transistorschaltungen ergeben eine Eigensicherheit der Sicherheilsschaltung auch für Acetylen, Wasserstoff und entsprechende Atmosphären.

In Fig.2 ist der Widerstand R₁ (Fig. 1) durch Feldeffekttransistoren (FET) 14 und 15 ersetzt. Die Source-Elcktrode des FET 14 ist mit der Drain-Elektrode des FET 15 über einen Widersland 16 verbunden. Die Source-Elektrode des FET 15 ist über einen Widerstand 17 mit dem Anschluß 3 verbunden. Die Drain-Elektrode des FET 14 ist an die Anode der Diode 8 und an die Kathode der Zenerdiode Z\ angeschlossen.

Die Widerstände 16 und 17 erzeugen eine Vorspannung für die ITTs 14, 15. Die Spannung der Drain-Elektrode des FET 15 wird an dessen Gate-Elektrode angelegt, und die Spannung am Anschluß 3 wird an die Gate-Eleklrode des FET 15 angelegt. Die Widerstände 16 und 17 sind so ausgewählt, daß bei dem größten normalerweise zu erwartenden Slromwert des von der Drain- zur Source-Elektrode fließenden Stroms der Widerstand zwischen der Source- und Drain-Elektrode jedes FET nicht mehr als etwa die Hälfte des Widerstands von Rj beträgt, oder in jedem Fall so ist, daß die Summe der Widerstände zwischen Source- und Drain-Elektrode gleich dem Wert des Widerstands R₃ ist. Der zwischen Drain- und Source-Elektrode fließende Strom sollte ferner einen solchen Wert haben, daß er die FETs etwa in ihrer Pinch-off-Spannung vorspannt. Als Folge davon ergeben höhere Ströme eine Vorspannung eines oder beider FETs oberhalb der Pinch-off-Spannung. Dadurch wird der Strom auf einen Wert begrenzt, der größer als der Normalwert, aber nicht wesentlich größer ist, falls er nicht so groß wird, um einen Lawinendurchbruch bei einem FET zu erzeugen. Anfänglich tritt jedoch nur bei einem der FETs ein Pincheffekt auf, während dies bei dem anderen praktisch nicht der Fall ist. Wenn bei dem FET bei der Pinchspannung der Lawinendurchbruch auftritt, begrenzt der andere FET den Lawinendurchbruchstrom, bis bei ihm selbst der Lawinendurchbruch auftritt. Die Wahrscheinlichkeit, daß bei beiden Transistoren ein Lawineneffekt auftritt, ist praktisch Null, selbst im Vergleich zu der Wahrscheinlichkeit, daß die Sicherheitsschaltung nicht das gewünschte Ausmaß an Eigensicherheit bringt.
Der Wert der Widerstände 16 und 17 hängt von den speziellen Stromstärken etc., der FETs, ab. Die beiden FETs 14, 15 haben vorzugsweise einen maximalen Source-Drain-Widerstand von etwa 60 Ohm oder weniger, solange sie in dem sogenannten Triodenbereich unterhalb der Pinchspannung arbeiten. Dieser Wert des Widerstands wird bei einer Eigenvorspannung von Null erreicht, wobei die Widerstände 16 und 17 Werte von Null Ohm haben; dies bedeutet, daß die Gate- und die Source-Elektroden des FET 14 direkt miteinander und mit der Drain-Elektrode des FET 15 verbunden sind, währenddessen Source- und Gate-Elektrode direkt miteinander und mit dem Anschluß 3 verbunden sind.

Bei einem zwischen Drain- und Source-Anschluß fließenden Strom im Bereich von 25 bis 75 Milliampere würde einer der zwei FETs einen Pincheffekt zeigen, so daß die erwähnten Folgen auftreten könnten.

Fig.3 zeigt eine Bipolar-Transistorschaltung. Dem Feldeffekttransistor 14 in Fig.2 entspricht ein npn-Transistor 18 mit einem Basiswiderstand 19 und einem Emitterwiderstand 20 zur Erzeugung einer Eigenvorspannung. Dem Feldeffekttransistor 15 entspricht ein npn-Transistor 21 mit einem Emitterwiderstand 23 und einem Basiswiderstand 22 zur Eigenvorspannung. Zenerdioden 24 und 25 verbinden die Basen der

''" npn-Transistoren 18, 21 derart, daß eine Eigenvorspannung erfolgt und ermöglichen einen Stromdurchgang in beiden Richtungen.

Im allgemeinen kann ein Transistor Verwendung finden, wenn die gesamten Vorspannungswiderstände

' '· und die Drain-Source (oder Emitter-Kollektor-)Widerständc zusammen den Wert des zu ersetzenden Widerstands ft ergeben.
V.s kann auch nur ein einziger Transistor in den

gezeigten Schaltungen verwendet werden. Ein einziger Transistor für den Widerstand für Ri würde die Eigensicherheit erniedrigen, welche durch die beiden Zenerdioden und die Sicherung der Schaltung gegeben ist. Zwei Transistoren gewährleisten dagegen eine hohe Sicherheit. Der wahrscheinlichste Ausfallgrund für einen Feldeffekttransistor (oder einen bipolaren Transistor) ist ein Kurzschluß zwischen der Drain- und der Source-Elektrode (oder dem Kollektor und dem Emitter), weshalb jeder Transistor im Ergebnis den anderen automatisch ersetzt, wenn dieser ausfallen sollte.

Die Verwendung von Transistoren anstelle von Widerständen ergibt eine Erhöhung des Sicherheitsfaktors aufgrund der empfindlichen Stromregelung bzw. Strombegrenzung. Widerstände arbeiten normalerweise nicht wie Transistoren, weil sie keinen positiven Temperaturkoeffizienten haben; in jedem Fall sprechen sie auf Stromänderungen zu langsam an, um in den Schranken eine geeignete Strombegrenzung zu gewährleisten. Es können ferner Transistoren mit einem Ausfall im offenen oder gesperrten Zustand angewandt werden, so daß im ersteren Fall der zusätzliche Transistor vermieden werden kann und dieselben Vorteile wie bei der Verwendung des zusätzlichen Transistors erzielt werden.

Die in F i g. 2 und 3 angegebenen Werte hängen von dem Widerstand A₃ ab, der gegenüber der in F i g. 1 gezeigten Schaltung der Schranken 5 ersetzt wird. In dieser Schaltung hat jede Schranke zu jeder Zeit ihre eigene Zenerdiode Zi.

Fig.4 zeigt eine Schaltung mit einem einzigen Transistor anstelle des Widerstands A₃ in Fig. 1. Als Transistor ist ein FET 26 eingesetzt, der einen Widerstand 27 für die Erzeugung einer Eigenvorspannung hat. Der dem Widerstand /?₃ entsprechende Widerstandswert liegt bei etwa 15—60 Ohm maximal für einen Vorspannungswiderstand zwischen 0 und 45 Ω.

F i g. 5 zeigt einen einzigen bipolaren Transistor 29 anstelle des Widerstands A₃ in F i g. 1. Die Vorspannung wird durch Widerstände 30 und 3i und eine Diode 32 erzeugt, wobei eine Diode 33 einen Stromdurchgang in beiden Richtungen ermöglicht. Die Werte dieser Bauelemente entsprechen denen von Fig.3 mit der Ausnahme, daß die Dioden gewöhnliche Dioden und nicht Zenerdioden sind.

Die dargestellten Schranken sind positive Schranken, d. h, daß sie ihre Funktion bezüglich der Anschlüsse 1 mit positivem Wert gegenüber Erde durchführen. Sie wären dagegen Kurzschlußschaltungen für Anschlüsse 1, die negativ gegenüber Erde sind, was deshalb eine Ausfall-Sicherheitsbedingung ist. Im Gegensatz hierzu können alle Dioden in den Fig. 1, 2 und 3 umgekehrt geschaltet, die n-Kanal-FETs in Fig.2 durch p-Kanal-FETs ersetzt werden, und die npn-Transistoren in F i g. 2 können durch pnp-Transistoren ersetzt werden. Die Sicherheitsschaltung führt dann ihre Funktion für Anschlüsse 1 aus, die negativ gegenüber Erde sind und es ergibt sich eine Ausfall-Sicherheit durch eine Kurzschlußverbindung der Anschlüsse 1 mit Erde, wenn diese positiv werden.

Die Sicherheitsschaltung in F i g. 1 hat beliebig viele Schranken, jedoch wird der Wert für η vorzugsweise zwischen 10 und 50 gewählt. Der Wert η kann auch kleiner als 10 oder größer als 50 sein.

Je größer π ist, desto größer ist die Wirtschaftlichkeit, aber auch die Wahrscheinlichkeit, daß mehr als eine einzelne Schranke gleichzeitig eine Spannung am Anschluß 7 hat, die zum Umschalten in den Leitzustand der Zenerdiode Z₂ ausreicht. Es ist zu beachten, daß eine Redundanz der Schaltung die Eigensicherheit gewährleistet Wenn die Zenerdiode Z₂ durch die /i-te Schranke 5 in den Leitzustand geschaltet wird, muß dies zum Durchbrennen der Sicherung der η-ten Schranke 5 in wenigen Millisekunden führen. Gleichzeitig würde in den anderen Schranken 5 die Zenerdiode Z\ die entsprechende Sicherung während dieser wenigen Millisekunden durchschmelzen lassen. Unabhängig davon liefern die Sicherungen Fund der Widerstand R\ einen schnellen und langsamen Durchschmelzschutz und außerdem enthält eine Schranke immer einen gesteuerten Siliziumgleichrichter 11, um einen Kurzschluß am äußersten Ende zu ermöglichen.

Die sicheren Teile der Sicherheitsschaltung sind mit den Anschlüssen 1, 2 verbunden, während die gefährlichen Teile mit den Anschlüssen 3,4 verbunden sind. Die Anschlüsse 2,4 sind gewöhnlich geerdet. Während bei der dargestellten Sicherheitsschaltung der gefährliche Teil eines Geräts od. dgl. aus Einrichtungen besteht, von denen jede einen geerdeten und einen nichtgeerdeten Anschluß haben, können einige Einrichtungen ungeerdet sein oder mehr als einen ungeerdeten Anschluß haben; hierbei sind so viele einzelne Schranken notwendig, wie diese ungeerdete Anschlüsse hat, wobei jede derartige Schranke mit ihren Anschlüssen 2,4 mit einer gemeinsamen Schaltung verbunden ist, die geerdet oder ungeerdet sein kann. Die speziellen Parameter der Sicherheitsschaltung ergeben sich aus den Spannungs- und Stromstärkeparametern üblicher Gleichspannungssysteme. Insbesondere wird die Spannung an den Anschlüssen 3,4 auf etwa 30 Volt begrenzt, wenn eine effektive Last vorhanden ist, die bis zu etwa 250 Milliampere aufnehmen kann, aber normalerweise

wesentlich weniger aufnimmt, und die den Widerstand von beispielsweise 150 Ω der Schranke, sowie den Leitungswiderstand und den Ausgangswiderstand der Schranke seitens der Anschlüsse 1, 2 vernachlässigbar werden läßt

so Diese speziellen Parameter, Anforderungen an die Sicherheitsschaltung und Schaltungselemente sind unkritisch und können unterschiedlich sein. Es gibt Systeme mit höheren Spannungen, in welchen Gasentladungsröhren mit kalter Kathode, mechanische Schalter

und andere Einrichtungen anstelle der Zenerdioden eingesetzt werden. Grundsätzlich können anstelle von Zenerdioden solche Einrichtungen Verwendung finden, welche gleiche Entladungseigenschaften sowie eine geeignete Strombelastbarkeit und eine geeignete

ω Entladungsspannung haben, wie z. B. Tunneldioden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sicherheitsschaltung mit Eigensicherheit, bestehend aus einem sicheren Teil, einem gefährlichen Teil und mehreren, den sicheren Teil mit dem gefährlichen Teil verbindenden Schranken, welche jeweils gleichen Aufbau haben und zwei Dioden, Widerstände sowie eine Schmelzsicherung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Schranken (5) eine Haupt-Schranke (5') vorgesehen ist, daß jede der Schranken (5) als zweite Diode eine Zenerdiode (Z\) und insgesamt zwei Widerstandselemente (Widerstände R\, R₁) enthält, daß alle ersten Dioden (8) eine ODER-Schaltung bilden, welche die Schranken (5) mit der Haupt-Schranke (5') verbindet, und daß die Haupt-Schranke (5') eine Zenerdiode (Zi) und einen zu dieser Zenerdiode (Zi) parallelgeschalteten Gleichrichter-Schu(zkreis(ll, 12,13) aufweist.

2. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstandselement (Widerstand Äj) der Schranken (5) durch eine FET-Schaltung(l4bis 17) ersetzt ist.

J. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstandselement (Widerstand Rj) der Schranken (5) durch eine Bipolar-Transistorschaltung (18 bis 25; 29 bis 33) ersetzt ist.

4. Sicherheitsschaltur.g nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die Bipolar-Transistorschaltung (29 bis 33) einen einzigen Transistor aufweist.