DE29823117U1 - Electrical device for potentially explosive areas - Google Patents
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Description
GR 98 G 4466 DEGR 98 G 4466 EN
BeschreibungDescription
Elektrisches Gerät für explosionsgefährdete BereicheElectrical equipment for potentially explosive atmospheres
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät für explosionsgef ährdete Bereiche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an electrical device for potentially explosive areas according to the preamble of claim 1.
Elektrische Geräte müssen für ihre Zulassung als Betriebsmittel, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden dürfen, bestimmten Anforderungen genügen, die beispielsweise in den Normen EN 50014 und EN 50020 festgeschrieben sind. Insbesondere werden Geräte nach der jeweils zulässigen Oberflächentemperatur in verschiedene Temperaturklassen eingeteilt: Für die Temperaturklasse T4 beträgt die maximale Oberflächentemperatur 135 0C, für die Temperaturklasse T5 100 0C und für die Temperaturklasse T6 85 0C. Die Begrenzung der Oberflächentemperatur ist beispielsweise beim Einsatz von eigensicheren Feldbussen zu beachten, bei welchen mehrere Feldgeräte über dieselbe Zweidrahtleitung mit der erforderlichen Betriebsenergie ferngespeist werden. Es muß nämlich durch geeignete Maßnahmen sichergestellt werden, daß der zulässige Maximalwert der Oberflächentemperatur auch im Fehlerfall nicht überschritten wird, wenn die gesamte, durch den Feldbus bereitgestellte Betriebsenergie nur von einem Feldgerät aufgenommen wird. Je nach Ausführung kann das Speisegerät des Feldbusses bis zu 4,2 W liefern. Geeignete Maßnahmen zur Sicherung gegen eine Überhitzung sind beispielsweise eine Strom- und/oder eine Spannungsbegrenzung durch ohmsche Widerstände bzw. Zenerdioden. Diese Maßnahmen verringern jedoch in nachteiliger Weise die für die einzelnen Feldgeräte zur Verfügung gestellte Betriebsenergie, da sie den Wirkungsgrad der Energieübertragung reduzieren.In order to be approved as equipment for use in potentially explosive atmospheres, electrical devices must meet certain requirements, which are laid down, for example, in standards EN 50014 and EN 50020. In particular, devices are divided into different temperature classes according to the permissible surface temperature: For temperature class T4, the maximum surface temperature is 135 0 C, for temperature class T5 100 0 C and for temperature class T6 85 0 C. The surface temperature limit must be observed, for example, when using intrinsically safe field buses, in which several field devices are remotely supplied with the required operating energy via the same two-wire cable. Suitable measures must be taken to ensure that the permissible maximum value of the surface temperature is not exceeded even in the event of a fault if the entire operating energy provided by the field bus is only consumed by one field device. Depending on the design, the field bus power supply can supply up to 4.2 W. Suitable measures to protect against overheating include, for example, current and/or voltage limitation using ohmic resistors or Zener diodes. However, these measures disadvantageously reduce the operating energy provided for the individual field devices because they reduce the efficiency of the energy transfer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Gerät für explosionsgefährdete Bereiche zu schaffen, bei welchem mit geringem Aufwand sichergestellt werden kann, daßThe invention is based on the object of creating an electrical device for potentially explosive areas, in which it can be ensured with little effort that
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eine zulässige Oberflächentemperatur nicht überschritten wird.a permissible surface temperature is not exceeded.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue elektrische Gerät der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.To achieve this object, the new electrical device of the type mentioned at the outset has the features specified in the characterizing part of claim 1. Advantageous developments of the invention are described in the subclaims.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß eine effektive Energieausnutzung gewährleistet ist, da die thermische Sicherung während des Normalbetriebs keinen nennenswerten Einfluß auf die Energieübertragung hat. Im Fehlerfall jedoch, wenn die Temperatur eine definierte Schwelle überschreitet, unterbricht die thermische Sicherung (Übertemperatur-Sicherung) zuverlässig die Zufuhr elektrischer Energie. Falls gefordert, kann die thermische Sicherung ohne weiteres redundant ausgeführt werden. Ein Verguß der Teile der elektrischen Schaltung, die im Fehlerfall eine erhöhte thermische Leistung erzeugen können, verhindert, daß eine lokale Erhitzung von Bauteilen, ein sogenannter Hotspot, unmittelbar eine Erhöhung der Oberflächentemperatur über den zulässigen Grenzwert hinaus verursacht. Bevor der Hotspot sich über die gesamte Vergußmasse ausbreiten und eine Überhöhung der Oberflächentemperatur bewirken kann, spricht die thermische Sicherung an und unterbricht die weitere Zufuhr elektrischer Energie.The invention has the advantage that effective energy utilization is guaranteed, since the thermal fuse has no significant influence on the energy transfer during normal operation. In the event of a fault, however, when the temperature exceeds a defined threshold, the thermal fuse (overtemperature fuse) reliably interrupts the supply of electrical energy. If required, the thermal fuse can easily be designed redundantly. Potting the parts of the electrical circuit that can generate increased thermal output in the event of a fault prevents local heating of components, a so-called hotspot, from immediately causing an increase in the surface temperature above the permissible limit. Before the hotspot can spread across the entire potting compound and cause the surface temperature to rise too high, the thermal fuse responds and interrupts the further supply of electrical energy.
Eine gute Wärmekopplung zwischen den eventuell wärmeerzeugenden Schaltungsteilen und der thermischen Sicherung wird in vorteilhafter Weise erreicht, wenn diese gemeinsam in die Vergußmasse eingebettet sind.A good thermal coupling between the possibly heat-generating circuit parts and the thermal fuse is advantageously achieved if they are embedded together in the potting compound.
Um zuverlässig zu gewährleisten, daß die Oberflächentemperatur immer niedriger als die durch die thermische Sicherung erfaßte Temperatur ist, kann die thermische Sicherung derart in die Vergußmasse eingebettet werden, daß sie vorteilhaft die Temperatur im Wärmeübergangsbereich zwischen den wärme-In order to reliably ensure that the surface temperature is always lower than the temperature detected by the thermal fuse, the thermal fuse can be embedded in the casting compound in such a way that it advantageously reduces the temperature in the heat transfer area between the heat
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erzeugenden Schaltungsteilen und der Oberfläche der Vergußmasse ermittelt.generating circuit parts and the surface of the potting compound.
Mit Vorteil wird bei mäßig wärmeleitender Vergußmasse ein gleichmäßiger Temperaturverlauf auf der Oberfläche des Vergußkörpers erreicht, wenn in die Vergußmasse ein gut wärmeleitender Körper eingebettet ist, der die wärmeerzeugenden Schaltungsteile im wesentlichen umgibt.With moderately heat-conducting casting compound, a uniform temperature profile on the surface of the casting body is advantageously achieved if a highly heat-conducting body is embedded in the casting compound, which essentially surrounds the heat-generating circuit parts.
Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft bei Feldgeräten für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen anwendbar, die über einen Feldbus eine Datenübertragung durchführen und über denselben Feldbus ferngespeist werden.The invention is particularly advantageously applicable to field devices for use in potentially explosive atmospheres, which transmit data via a fieldbus and are remotely powered via the same fieldbus.
Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.The invention as well as its embodiments and advantages are explained in more detail below with reference to the drawings in which embodiments of the invention are shown.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 den prinzipiellen Aufbau eines elektronischen Geräts, Figure 1 shows the basic structure of an electronic device,
Figur 2 ein Beispiel einer elektrischen Verschaltung einer thermischen Sicherung bei einem Feldgerät mit Feldbusanschluß,
Figur 3 einen Leitungsabschluß als elektrisches Gerät mit thermischer Sicherung im Verguß undFigure 2 shows an example of an electrical connection of a thermal fuse in a field device with fieldbus connection,
Figure 3 shows a line termination as an electrical device with thermal fuse in the potting and
Figur 4 ein elektrisches Gerät mit gleichmäßiger Oberflächentemperatur am Verguß.Figure 4 an electrical device with uniform surface temperature at the casting.
In Figur 1 ist der innere Aufbau eines elektronischen Geräts mit einer Leiterplatte 1, die mit zwei eventuell wärmeerzeugenden Bauelementen 2 und 3 sowie mit einer thermischen Sicherung 4 bestückt ist, in einem Schnittbild dargestellt. Die thermische Sicherung 4 ist gemeinsam mit den Bauelementen 2 und 3 in einen Verguß 5 eingebettet. Sie ist so angeordnet, daß sie die Temperatur im Wärmeübergangsbereich zwischen den Bauelementen 2 und 3 und einer Oberfläche 6 der VergußmasseFigure 1 shows a sectional view of the internal structure of an electronic device with a circuit board 1, which is equipped with two possibly heat-generating components 2 and 3 and with a thermal fuse 4. The thermal fuse 4 is embedded together with the components 2 and 3 in a potting compound 5. It is arranged in such a way that it reduces the temperature in the heat transfer area between the components 2 and 3 and a surface 6 of the potting compound.
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erfaßt. Zwei Anschlüsse 7 und 8 der thermischen Sicherung 4 führen zur Leiterplatte 1 und sind dort verlötet. Der Versorgungsstrom der Bauelemente 2 und 3 wird über diese Anschlüsse 7 und 8 geleitet, so daß bei Ansprechen der thermisehen Sicherung 4 in einfacher Weise der Stromfluß und somit die Zufuhr elektrischer Energie zu den Bauelementen 2 und 3 wie durch einen thermischen Schalter unterbrochen werden kann. Eine unzulässige Erhöhung der Oberflächentemperatur auf der Unterseite des Vergusses 5 wird durch Kupferlagen in der Leiterplatte 1 verhindert, welche die Wärme im Verguß gleichmäßig verteilen.detected. Two connections 7 and 8 of the thermal fuse 4 lead to the circuit board 1 and are soldered there. The supply current of the components 2 and 3 is conducted via these connections 7 and 8, so that when the thermal fuse 4 is triggered, the current flow and thus the supply of electrical energy to the components 2 and 3 can be interrupted in a simple manner, as if by a thermal switch. An unacceptable increase in the surface temperature on the underside of the potting 5 is prevented by copper layers in the circuit board 1, which evenly distribute the heat in the potting.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Teile der elektrischen Schaltung, die im Fehlerfall eine erhöhte thermische Leistung erzeugen können, an einer Stelle der Leiterplatte 1 räumlich zusammengefaßt. Die thermische Sicherung 4 ist so über den Schaltungsteilen angeordnet, daß sie unmittelbar auf eine Temperaturerhöhung anspricht. Falls Schaltungsteile, die eine potentielle Wärmequelle darstellen, aus besonderen Gründen nicht zusammengefaßt werden können und verteilt im elektrischen Gerät angeordnet werden müssen, können diese gesondert vergossen und jeweils mit einer thermischen Sicherung versehen werden.In the embodiment shown, the parts of the electrical circuit that can generate increased thermal power in the event of a fault are spatially grouped together at one point on the circuit board 1. The thermal fuse 4 is arranged above the circuit parts in such a way that it responds immediately to an increase in temperature. If circuit parts that represent a potential heat source cannot be grouped together for special reasons and have to be arranged in a distributed manner in the electrical device, they can be encapsulated separately and each provided with a thermal fuse.
Figur 2 zeigt die elektrische Verschaltung einer thermischen Sicherung 9 bei einem Feldgerät, das über einen Feldbus mit der erforderlichen Betriebsenergie versorgt wird. Auf dem Feldbus werden Daten und elektrische Energie über elektrische Leitungen 10 und 11, von denen hier nur ein Abschnitt dargestellt ist, zu den einzelnen Feldgeräten übertragen. Mit zwei elektrischen Leitungen 12 und 13 wird einer elektrischen Schaltung 14 eines Feldgeräts die zum Betrieb erforderliche Energie zugeführt und der Datenaustausch abgewickelt. In die elektrische Leitung 12 ist die thermische Sicherung 9 eingesetzt, so daß bei Ansprechen der thermischen Sicherung 9 in einfacher Weise der Stromkreis unterbrochen werden kann. Die thermische Sicherung 9 und die Teile der elektrischen Schal-Figure 2 shows the electrical connection of a thermal fuse 9 in a field device that is supplied with the required operating energy via a field bus. On the field bus, data and electrical energy are transmitted to the individual field devices via electrical lines 10 and 11, of which only a section is shown here. Two electrical lines 12 and 13 are used to supply an electrical circuit 14 of a field device with the energy required for operation and to carry out the data exchange. The thermal fuse 9 is inserted into the electrical line 12 so that the circuit can be easily interrupted when the thermal fuse 9 is triggered. The thermal fuse 9 and the parts of the electrical circuit
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tung, die im Fehlerfall eine erhöhte thermische Leistung erzeugen können, sind in eine Vergußmasse 15 eingebettet, wie es bereits anhand Figur 1 beschrieben wurde., which can generate increased thermal power in the event of a fault, are embedded in a potting compound 15, as already described with reference to Figure 1.
Bei dem in Figur 3 dargestellten elektrischen Gerät handelt es sich um eine Einrichtung zum Leitungsabschluß eines Feldbusses. Bereits in Figur 2 eingeführte Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Eine elektrische Schaltung, die im Fehlerfall eine erhöhte thermische Leistung erzeugen kann, besteht hier aus einem ohmschen Widerstand 16 und einem Kondensator 17, zu welchem optional ein weiterer, mit durchbrochenen Linien gezeichneter ohmscher Widerstand 18 parallelgeschaltet werden kann.The electrical device shown in Figure 3 is a device for terminating a field bus line. Parts already introduced in Figure 2 are provided with the same reference numerals. An electrical circuit that can generate increased thermal power in the event of a fault consists here of an ohmic resistor 16 and a capacitor 17, to which an additional ohmic resistor 18, shown with broken lines, can optionally be connected in parallel.
Das in Figur 4 dargestellte elektrische Gerät enthält eine Leiterplatte 19, die mit zwei eventuell wärmeerzeugenden Bauelementen 20 und 21 bestückt ist. Die Bauelemente 20 undThe electrical device shown in Figure 4 contains a circuit board 19, which is equipped with two possibly heat-generating components 20 and 21. The components 20 and
21 sind von einem gitterförmigen, gut wärmeleitenden Körper21 are made of a grid-shaped, good heat-conducting body
22 umgeben. Weiterhin ist eine thermische Sicherung 23 vorgesehen, die gemeinsam mit den Bauelementen 20 und 21 sowie mit dem Körper 22 in einen Verguß 24 eingebettet und derart angeordnet ist, daß eine gute Wärmekopplung zum Körper 22 besteht. Durch den gut wärmeleitenden Körper 22 wird in vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Verteilung der Oberflächentemperatur des Vergusses 24 erreicht.22. Furthermore, a thermal fuse 23 is provided, which is embedded together with the components 20 and 21 and with the body 22 in a casting 24 and is arranged in such a way that there is a good thermal coupling to the body 22. The good heat-conducting body 22 advantageously achieves a uniform distribution of the surface temperature of the casting 24.
In explosionsgefährdeten Bereichen hat ein Verguß der eventuell wärmeerzeugenden Bauelemente zudem den Vorteil, daß die Oberflächentemperatur insgesamt reduziert wird und somit höhere Eingangsleistungen zulässig sind. Da eine Spannungsbegrenzung nur an den Stellen nach außen notwendig ist, wird der Schaltungsaufwand reduziert. Bezüglich der inneren Kapazitäten und Induktivitäten, die nicht nach außen wirksam werden, bestehen keine Beschränkungen und es können je nach Schaltung bessere technische Daten, insbesondere aufgrund einer stabileren Versorgungsspannung, erreicht werden. Da innerhalb des Vergusses geringere Abstände zwischen poten-In areas at risk of explosion, encapsulation of any heat-generating components has the additional advantage that the overall surface temperature is reduced, allowing higher input power. Since voltage limitation is only necessary at the points facing outwards, the circuit complexity is reduced. There are no restrictions on the internal capacitances and inductances that do not have an external effect, and depending on the circuit, better technical data can be achieved, particularly due to a more stable supply voltage. Since smaller distances between potential
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tialführenden Teilen zulässig sind, können die geometrischen Abmessungen der Schaltung reduziert werden.tial-carrying parts are permissible, the geometric dimensions of the circuit can be reduced.
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