DE2033115A1

DE2033115A1 - Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung

Info

Publication number: DE2033115A1
Application number: DE19702033115
Authority: DE
Inventors: der Anmelder H02h ist
Original assignee: Redding Robert James Maidenhead Berkshire (Großbritannien)
Priority date: 1969-07-03
Filing date: 1970-07-03
Publication date: 1971-01-21
Also published as: FR2050464B1; FR2050464A1; GB1310354A

Description

Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung

Die Erfindung betrifft Begrenzungsvorrichtungen, um zu gewährleisten, daß die einem Stromkreis eingespeiste elektrische Spannung
auf einen bestimmten sicheren Wert mit Hilfe von Zenerdiöden und
Widerständen begrenzt wird. Eine solche- Begrenzungsvorrichtung ist in der britischen Patentschrift Nr. 977 913 beschrieben, wobei zwe gegenpolige Zenerdiöden an einer Zweidrahtleitung in Reihe geschal tet sind, und in jeder Leitung ein Strombegrenzungswiderstand vorgesehen ist, um den Strom, der in einen "sieher" zu bleibenden
Teil der Leitung ' fließen kann, zu begrenzen.

Da der Ausfall einer Diode nicht automatisch gemeldet wird, erschien es vorteilhaft, jede Diode durch eine weitere dazu parallel geschaltete Zenerdiode zu verdoppeln.

Bei einer solchen Verdoppelung muß eine Prüfeinrichtung vorgesehen werden, um zu gewährleisten, daß beide Dioden ordnungsgemäß arbeiten. Dies kann durch Verwendung von Dioden mit verschiedener Span-

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nungscharakteristik bzw. durch Einschaltung eines Widerstandes in die Leitung zwischen zwei Dioden erreicht werden. Die Prüfung erfolgt durch Anlegen einer Spannung an die entsprechende Diode, wo-¹ .bei die Vorrichtung mit geeigneten Außenklemmen versehen wird, und durch Beobachten des sich ergebenden Stromes bzw. umgekehrt.

Die Verdoppelung der Dioden stellt einen beträchtlichen Kcstenauf-, wand dar, besonders wenn die Begrenz ungs vorrichtung verkapselt ist., damit ihre Bauteile nicht gestört oder durch falsche Typen ersetzt werden können. Bei Ausfall eines Bauteiles würde das Gerät wertlos werden. Daher ist es vorteilhaft, die Begrenzungsvorrichtungen und zwei Hälften herzustellen, von denen jede einen Strombegrenzungswiderstand' in zwei parallel geschaltete Zenerdioden enthält. Jedes dieser Halbgeräte kann für Einfachleitungen mit Erdrücklauf verwendet werden, während zwei Halbgeräte eine erdfreie Zweidrahtleitung bilden, drei Einheiten eine Dreidrahtleitung usw. Diese Anordnungen sind amtlich als eigensicher bescheinigt worden, z.B.mit dem P.T.B. Certificate EXI 95 20020.

Bei einer Reihe von Anwendungen dieser Begrenzungsvorrichtungen im praktischen Einsatz müssen zwei oder mehrere Halbgeräte verwendet werden. Zum Beispiel muß meist bei einer Zweidrahtwandleranlage ein Halbgerät für die Stromversorgung) und eines für die

aufnehmenden Instrumente verwendet werden. Obwohl diese Anordnung bekannt ist, bedeutet dies, daß vier Dioden zur Erreichung der erforderlichen Redundanz und der Reservefunktion benötigt werden, und daß weiter der Fehlerstrom, der bei einer Verbindung j

von zwei Leitungen der Schaltung und der Erde auftreten kann, .·■-.

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sich als Summe des die Halbgeräte durchlaufenden Stroms darstellt* Im Falle einer Brückenschaltung oder einer Vierleitungs-Meßschaltung, wie sie z.B. zur Temperaturmessung dient, müssen vier Halbgeräte (oder drei, wenn eine Leitung geerdet ist) verwendet werden und der mögliche Fehlerstrom ist entsprechend größer als bei einer einzigen Vorrichtung.

Die Erfindung betrifft eine Begrenzungsvorrichtung, bei welcher.

eine erhöhte Sicherheit und Funktionsreserve der nötigen Bauteile bei einer gleichen oder geringeren Anzahl von Zenerdioden erreicht wird und bei welcher die Prüf- bzw. Meßeinrichtung vereinfacht ist

' Die Erfindung ist eine Begrenzungseinrichtung, bei welcher zwei in

Reihe geschaltete gegenpolige Zenerdioden zwischen zwei stromfüh-' rende Leitungen geschaltet sind, von denen jede mit einem Strombegrenzungswiderstand ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

j eine zusätzliche Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung zwischen die Leitungen geschaltet ist. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß man ir.it ihr einen gewünschten'Grad von Redundanz oder Funktionsreserve ohne eine Verdoppelung einer jeden Zenerdiode erreichen kann, wie dies bei Verwendung von Halbgeräten bzw. Halbvorrichtungen erforderlich ist.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 eine Zweileitungs-Wandleranlage, wobei jede Leitung

einem Halbgerät versehen—isti- -

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BAD ORIGINAL

Pig. 2 die Orundschaltung der im britischen Patent Nr. 977 913 bekannt gemachten Begrenzungseinrichtung in abgeändeter Form, der weitere Mittel zur Spannungsbegrenzung hinzugefügt wurden;

Pig. 3 "eine Begrenzungsanordnung wie Pig. 2, Jedoch unter Verwendung einer anderen Ausführungsform des zusätzlichen Spannungsbegrenzers, der dort einsetzbar ist, wo nur

^ ein niedriges Potential zwischen den beiden Leitungen

aufrechterhalten werden soll;

Fig. 4 eine Begrenzungseinrichtung, die speziell so ausgelegt ist, daß der Wert des Strombegrenzungswiderstandes auf einem Minimum gehalten wird;

Flg. 5 eine Begrenzungsanordnung zur Gewährleistung des sicheren Betriebes von drei getrennten Schaltungen mit einem gemeinsamen Masseanschluß;

Fig. 6 eine Begrenzungseinrichtung, die eine Weiterentwicklung der Merkmale der in den Fign. 3 und 4 gezeigten Begrenzungseinrichtungen darstellt;

Flg. 7 eine Änderung der in Flg. 6 gezeigten Begrenzungseinrichtung;

Flg.θ eine weitere Änderung der in den Fign. 6 und 7 gezeigten Begrenzungseinrichtungen. '

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ORiGiNAL INSPECTED

jede Leitung des in Fig. 1 gezeigten Zweileltungs-Wandlersystems wird durch ein herkömmliches Halbgerät bzw. eine herkömmliche Halb einheit mit der sicherung P. oder P₂, dem Strombegrenzungswiderstand R. oder Rp, und der zwischen die Leitung und einen Massepunkt geschalteten Zenerdiode Z-, oder Z₂ geschützt. PUr Jede der Zenerdioden Z₁ und Z₂ ist ein zweites Exemplar vorgesehen, um den Ausfall des Halbgeräts bei einem Ausfall der Diode zu vermeiden, wobei die Ersatzdiode parallel zu ihrer zugehörigen Erstbestückung Zenerdiode Z, oder Z₂ geschaltet ist. Um außerdem die Prüfung des Halbgeräts zu ermöglichen, wird ein Prüfwiderstand zwischen den Anschlußpunkt der beiden Zenerdioden gelegt.

Figur 2 zeigt die Schaltung des britischen Patents Nr. 977 die aus Gründen der Klarheit mit der zwischen die beiden Leitungen geschalteten -zusätzlichen Zenerdiode Z-* neu ausgelegt wurde. Diese Schaltung erfüllt den gleichen Zweck wie die beiden mit Widerstands- und Diodenpaaren ausgestatteten Halbgeräte der Pig. I, besitzt jedoch eine Anzahl von Vorteilen. Jede Leitung wird wirksam durch zwei Dioden geschützt, da beim Ausfall einer der drei Dioden die beiden anderen die Funktion der Spannungsbegrenzung übernehmen. Durch Zuführen eines Stroms zwischen je zwei der drei Anschlüsse 1, X und Masse kann jede der drei Dioden sehr einfach geprüft werden, und die Spannungen können wiederum bei Durchsteuerung einer jeden Diode registriert werden. Daher ist kein eigener Prüfwiderstand erforderlich, wodurch der Gesamtwiderstand des Gerätes bzw. der Einheit und der sich daraus ergebende Spannungsabfall in einer Schaltung verringert wird. Die Betriebssicherheit des Systems wird bei Ausführungen wie der der Fig. 1 verbessert.,

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da., die.an den Leitungen anliegende Spannung im gefährlichen Be- ! reich durch nur eine Diode anstatt zwei in Reihe geschalteten Dio-|

den begrenzt wird. Wird ein Spannungssignal, zum Betrieb von Re- | • gistriergeräten usw. benötigt, so kann d*r "Rückführungswiderstandj" an die Seite der Gefahrenzone der Begrenzungseinrichtung angeschlossen werden. Dies verkleinert die Ströme, die den Gefahrenbereich durchfließen können und gestattet die Verwendung von größeren Strombegrensungswiderständen, z.B. kann R₂ mit einem höheren Wert ohne Leistungsverlust versahen werden.

Bei Anwendungen, bei denen zwischen den zu schützenden Leitungen nur niedrige Spannungen auftreten, kann die dritte erfindungsgemäße Diode aus einem oder mehreren gewöhnlichen Gleichrichterelementen bestehen, da sie als niedergespannte Zenerdiode mit einer Lawinendurchbruchs pannung von ca. 600 Millivolt bei einer Siliziumjdiode oder ca. 300 Millivolt bei einer Germaniumdiode wirken. In Fig. 3 z.B. werden zwei solche Dioden, D, und D₂ verwendet, wobei diese Kombination von D₁ und D₂ den Vorteil der vorstehend beschriebenen dritten Zenerdiode aufweist. Eine Schaltung wie die der Pig. 3 ist besonders für bestimmte Temperaturmessungen geeignet, z.B., wenn ein Thermoelement an die Klemmen 3 und Y angeschlossen wird. Ebenso können die beiden Schaltungseinheiten der Pign. 2 oder 3 zum Schutz einer Widerstandsbrücke, einer Dehnungsmeßbrücke oder eines Widerstandsthermometers verwendet werden, bei welchen die bekannte Vierdrahtmeßmethode zur Anwendung kommen soll!.

Die verwendeten Zenerdioden brauchen nicht die gleiche Lawinendurchburchspannung zu haben. Im Fall des "Zweileitungswandler-

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systems" der Pig. 1 ist die Versorgungsspannung normalerweise 24 V und der Signalstrom im Gefahrenbereich bewegt sich im Bereich von' 4 bis 20 Milliampere -Gleichstrom, und die Empfangsinstrumente verwenden eine Spannung von 1 -5 Volt, die dadurch gewonnen wird,daß man den Signalstrom durch einen pestwiderstand laufen läßt. Fig.4 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Sicherheitsschutz, der speziell für einen 24 Volt-Zweileitungswandler ausgelegt ist, wobei sich die vorerwähnten Vorteile durch Bezugnahme auf Fig. 1 klar ergeben.

Die Lawinendurchbruchspannungen der Dioden in Flg. 2 sind so gewählt, daß sie die im Normalbetrieb auftretende Maximal spannung

um etwa 4 Volt übersteigen, d.h. Z, und 28v und Z₂ für 5V + 4v - 9V sicher.

sind für 24 Volt + 4V

Der Widerstand R₁ dient zur Begrenzung des Stroms, der !■ Gefahrenbereich bei der höchstmöglichen Spannung fließen kann, die zwischei den Leitungen auftreten kann. Diese Spannung ist die Lawinendurchbruchspannung von Z₁ plus einem Spannungsabfall, der in der Diode infolge des Stromes auftreten kann, der bis zur Unterbrechung durcfi die Sicherung fließen kann. In der Praxis ist anzunehmen·, daß die an Z₁ anliegende Spannung bis zum Erreichen des Wertes der Lawinenfdurchbruchspannung der in Reihe geschalteten Z₂ und Z, ansteigen kann, so daß diese durchgesteuert werden. Somit wird R. unter der Annahme einer Spannung von 28v +9V = 37V mit dem Normalwert von 4ΌΟ Ohm gewählt.

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Der Wert von R₁ soll so niedrig wie möglich sein, da er die für die Instrumente verfügbare Leitungslast schmälert. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Schaffung von Mitteln, die es gestatten, dem Wert von R₁ wie folgt herabzusetzen (Fig. 4).

Zunächst wird der kleine Widerstand R, in eine Leitung zwischen die Dioden Z, und Z₁ geschaltet, und die Diode D₁ wird zwischen den Anschlußpunkt von (R, und R₁) und den Anschlußpunkt von (Z, und Z₂) gelegt. Der Widerstand R, schützt die Diode Z₁ gegenüberlastung. Sein Wert ist so gewählt, daß beim Erreichen eines Bruchteiles des Nennwertes des Z, durchfließenden Stromes der Spannungs abfall an Z, und R, gleich ist der Lawinendurchbruchspannung von Z, und Z₂. Ein weiter erhöhter Strom in der Schaltungseinheit fließt hauptsächlich durch Z, und Z₂, da dies jetzt der Weg mit dem geringeren Widerstand ist. Normalerweise wird R, mit 40 Ohm

gewählt, so daß der Z, durchfließende Strom des vorstehenden Beispiels kleiner als 0,25 Ampere sein würde, ungeachtet des Wertes der Sicherung, falls überhaupt eine vorhanden ist. Wenn Z, vorsichtig für diesen strom bewertet wird, so können wir als Ergebnis R₁ auf der Grundlage der normalen Lawinendurchbruchspannung von Z₁ wählen, d.h. für 28 V. Ein Normalwert für diesen Fall ist 240 Ohm, wodurch sich eine Gesamteinsparung von 400 - 270 = ljJOOhm ergibt. Tritt am Eingang X eine Überlastung auf und erzeugt einen starken Strom in Z₂, so würde dieser über Z, und R, an Z₁ übertragen, und in diesem Fall ist R- von Nachteil. Daher ist, wie in Fig. 4 gezeigt, die einfache Diode D₁ so geschaltet, daß sie durch gesteuert wird, wenn die an Z₂ anliegende Spannung auf einen Wert ansteigt, der ca. 700 Millivolt oder mehr über der an Z₁ anliegen-

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den Spannung liegt. Der Wert des Widerstandes R₂ wird etwas höher oder gleich dem Wert des Widerstandes R. gewählt, da die schädlichste Spannung, die auftreten kann, die Lawinendurchbruchspannung von Z₁ und der Spannungsabfall von D₁ in Durchlaßrichtung ist

In der Praxis ist der Wert von R₂ nicht kritisch. Da der Spannungs teiler Rj, an der Gefahrenzonenseite zwischen Y und Masse geschaltet werden kann, hat der Widerstand zwischen X und Y wenig Bedeutung, wenn Potentiometer verwendet werden. Falls erforderlich kann ein weiterer Strombegrenzungswiderstand zwischen F₂ und den gemeinsamen Anschlußpunkt Z₂ und Z-, eingeschaltet werden.

Der Vorteil der Erfindung liegt in der Verwendung einer Einrichtung zur Spannungsbegrenzung, welche die Funktion zweier oder mehrerer gleicher Einrichtungen ersetzt bzw. ausübt, wodurch die Kosten der für die Betriebssicherheit als notwendig erachteten Funktionsreserve herabgesetzt werden. Die Erfindung ist nicht notwendigerweise auf zwei-Leitungsschaltungen begrenzt. Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Gewährleistung des Eigenschutzes der vier Leitungen einer Meßbrücke oder für die Betriebssicherheit von drei getrennten Kreisen, die zwischen die Klemmen ^a,b,e und den Massepunkt "4" geschaltet si nd. Die Zenerdioden Z, a,b,c der einzelnen Kreise werden durch eine Zenerdiode Z₂ geschützt. Praktischerweise können alle Dioden den gleichen Wert für die Lawinendurchbruchspannung haben. Jedoch die gemeinsame; Diode Zg ist über die einfache Diode D₁ angeschlossen, und der kleine Widerstand R₂ ist in jede Leitung eingeschaltet, so daß Z₁ solange durchgesteuert wird, bis der Spannungsabfall an R₂ den Spannungsabfali von D₁

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in..Durchlaßrichtung übersteigt, so daß die Ansteuerung von Z₀ eingeleitet wird. Die Erfindung gestattet es somit,mit einer großdimensionierten Diode Z₂ drei kleine Dioden Z₁ zu schützen, während ■man sonst zwei großdimensionierte Dioden zum Schutz eines jeden Stromkreises benötigen würde. (Die Dioden Dg sind lediglich vorgesehen, um für eine Polaritätsumkehr der Speisespannung zu sorgen). Wenn weiterhin Z₁ durchgesteuert ist, und der strom so bemessen ist, daß die Spannung an R₂ um ca. 600 Millivolt ansteigt, dann wird Z₂ über, die Dioden D₁ angesteuert. Damit sind zwei Reservestrompfade gegeben, falls eine der Dioden Z₁ ausfallen sollte

Der Wert der drei parallel geschalteten Schutzvorrichtungen gegenüber einer einzelnen Punktionsreserve liegt in der Tatsache, daß die gleiche Betriebssicherheit und der gleiche Schutz auch bei weniger zuverlässigen Bauteilen gewährt wird. Damit können handelsübliche Bauteile anstelle von Sonderausführungen verwendet werden. Figur 6 zeigt eine Erweiterung der Merkmale der Pign. > und 4, um drei Wege zu ergeben.Wenn z.B. Z₁ durchgesteuert ist, so bewirkt der Spannungsabfall an R„ ein Anschalten von Zg. Ein weiterer Spannungsanstieg von 600 Millivolt bewirkt die Ansteuerung einer weiteren Z₁. Jedoch die an Z₂ angeschlossenen Dioden ergeben einen Leitweg zwischen den Leitungen, wenn die zwischen den Leitungen liegende Spannung den Spannungsabfall der beiden Dioden in Durchlaßrichtung übersteigt. In Fällen, in denen dies einen Nachteil darstellen würde, lassen sich zwei Zenerdloden Z^ und Z₁. wie in Fig. 7 achalten, wobei die Zenerspannung so gewählt wird* daß sie der Sollspannung zwischen den Leitungen angepaßt ist. Sin Fehlerstrom kann Z₁, und Z,- nur in der Durchlaßrichtung und über

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eine andere Diode durchfließen, und daher können diese Dioden niec rigere Nennspannungen haben als Z,, Z₂ und Z-,, bzw. kann mit einiger Sicherheit festgestellt werden, daß sie nicht zuerst ausfaller

Wenn zwei Leitungen über Masse oder einem anderen Bezugspunkt verschiedene spannungen führen, so kann nach Flg. 8 eine der Dioden Z^ oder Z₁- entfallen. Diese S cha It ungs aus führ ung erfüllt die Punktion der Schaltungen der Sign. 6 und 7, und ist der Schaltung der Fig. 2 Insofern überlegen, als in ihr drei Sicherheitswege zwischen einer jeden Lei'tung und Masse vorgesehen sind, wobei nur \ drei Hauptschutzvorrichtungen Z,» Z₂* Z- und eine Hilfsschutzvorrichtung vorgesehen sind, von der es sehr unwahrscheinlich ist,daß

sie zuerst ausfällt. Wenn eine der Zenerdioden Z₁* Z₂, Z, ausfallen sollte, sind für Jede Leitung noch immer zwei spannungsbegrenzungswege vorhanden, selbst wenn zwei ausfallen, ist immer noch jede Leitung geschützt.

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Claims

1.)Begrenzungseinrichtung, bei welcher zwei in Reihe geschaltete gegenpolige Zenerdioden zwischen zwei stromführende Leitungen geschaltet sind, von denen jede mit einem Strombegrenzungswider stand versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die be den Leitungen eine weitere Einrichtung zur Spannungsbegrenzung eingeschaltet ist.

2. Begrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Einrichtung zur Spannungsbegrenzung (Z-,)
eine Zenerdiode ist.

3. Begrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Einrichtung zur Spannungsbegrenzung aus
zwei oder mehreren normalen Dioden (D«,D₂) besteht. -

4. Begrenzungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Einrichtung zur Spannungsbegrenzung weiter mindestens noch eine normale Diode enthält.

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