DE3407800A1

DE3407800A1 - Elektronische sicherheitsbarriere

Info

Publication number: DE3407800A1
Application number: DE19843407800
Authority: DE
Inventors: Karl 7108 Möckmühl Kapfer; Gerhard Dipl.-Ing. Schwarz (FH), 6936 Allemühl
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: KAPFER, KARL, 74219 MOECKMUEHL, DE
Priority date: 1984-03-02
Filing date: 1984-03-02
Publication date: 1985-09-05
Also published as: FR2560720A1; US4660121A; GB2157510A; GB8505152D0; GB2157510B; DE3407800C2; JPS60204225A; FR2560720B1

Description

BROWN, BOVERI & CIE Aktiengesellschaft Mannheim 2.9. Febr. 1984

Mp.-Nr. 524/84 ZPT/P4 - Ft/Sd

Elektronische Sicherheitsbarriere

Die Erfindung betrifft eine elektronische Sicherheitsbarriere nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eigensichere Stromkreise sind gemäß DIN EN 50014 (VDE 0170/0171) insbesondere EN 50020, solche Stromkreise, in dessen kein Funke und kein thermischer Effekt im normalen Betrieb eine Zündung einer bestimmten explosionsfähigen Atmosphäre hervorrufen können. Die Erfindung befaßt sich mit den zwischen dem eigensicheren und dem nichteigensicheren Stromkreis befindlichen Sicherheitsbarrieren gemäß DIN EN 50020, Pkt.8.

Eine bekannte Schaltung, die in der Figur 1 dargestellt ist, besitzt zwei Schalttransistoren T1 und T2, wobei dem Emitter des ersten Schalttransistors T1 ein erster Fühlwiderstand R1 nachgeschaltet ist, der mit seinem anderen Ende mit dem Kollektor des zweiten Schalttransistors T2 verbunden ist. Der Emitter des zweiten Schalttransistors T2 ist mit einem zweiten Fühlwider-

stand R2 verbunden. Der erste Fühlwiderstand R1 ist in den Basis-Emitterkreis eines ersten Steuertransistors T3 und der zweite Fühlwiderstand R2 ist in den Basis-Emitterkreis eines zweiten Steuertransistors T4 geschaltet. Der Kollektor des ersten Steuertransistors T3 ist mit der Basis des ersten Schalttransistors T1 und der Kollektor des zweiten Steuertransistors T4 mit der Basis des zweiten Schalttransistors T2 verbunden; zusätzlich ist im Kollektor-Basiskreis des ersten Schalttransistors T1 ein erster Basiswiderstand R3 geschaltet; die Basis des zweiten Schalttransistors ist über einen zweiten Basistransistor R4 praktisch parallel zu dem ersten Basiswiderstand R3 und dem Steuertransistor T3 geschaltet. Die beiden Schalttransistoren T1 und T2 werden über die beiden Basiswiderstände R3 und R4 angesteuert.

Übersteigt der Spannungsabfall an den beiden Widerständen R1 und R2 die Basis-Emitterspannung von T3 und T4, dann fließt ein Steuerstrom über deren Kollektor-Emitterstrecke ab und die Schalttransistoren T1 und T2 sperren. Aufgrund der geringen Regelverstärkung insoweit, als die Widerstände R3 und R4 niederohmig sein müssen, um T1 und T2 durchsteuern zu können, bringt die bekannte Schaltung gemäß Fig. 1 eine relativ mäßige

Stromquelleneigenschaft.
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Die Fig. 2 zeigt eine weitere bekannte Schaltung, die gegenüber der Fig. 1 deutlich verbessert ist. Vor dem Schalt- oder Stelltransistor T1 ist in dessen Emitterstrecke der Widerstand R1 geschaltet; der zweite Widerstand R2 ist mit dem Kollektor des ersten Stelltransistors und dem Emitter des zweiten Stelltransistors verbunden; die Widerstände R1 und R2 befinden sich jeweils in der Basis-Emitterstrecke der beiden Steuertransistoren T3 und T4; die Kollektoren der letzten Steuertransistoren T3 und T4 sind mit der Basis der

Stelltransistoren Τ1 und Τ2 jeweils verbunden. Gleichzeitig ist die Basis der Transistoren T1 und T2 über Widerstände R3 und R4 mit der Rückleitung verbunden. Diese Schaltungsanordnung ist von den derzeit bekannten Schaltungen die günstigste bezogen auf den Spannungsabfall; da aber über die Widerstände R3 und R4 ggf. ein Fehlstrom fließen kann, ist die Schaltung für eigensichere Meßkreise nur bedingt geeignet.

Bei beiden bekannten Schaltungsanordnungen befinden sich in der Hinleitung zwei Fühlwiderstände, mit denen die Schalt- bzw. Stelltransistoren angesteuert werden. Dies hat zur Folge, daß der Spannungsabfall bei beiden Schaltungsanordnungen, die den Vorschriften (siehe oben) genügen, relativ hoch ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sicherheitsbarriere der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der

Spannungsabfall noch weiter verringert wird. 20

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Anstatt zweier Fühlwiderstände in der Hinleitung ist jetzt nur noch ein Widerstand vorgesehen, dessen Spannungsabfall für die Ansteuerung beider Steuertransistoren verwendet wird.

Dabei besteht in einer ersten Ausführungsform die Möglichkeit, daß der Emitteranschluß beider Steuertransistoren gemeinsam mit einem Ende des einzigen Fühlwiderstandes und die Basis beider Steuertransistoren gemeinsam mit dem anderen "Ende des Fühlwiderstandes verbunden sind. Dadurch erhält man eine gleichzeitige Ansteuerung der beiden Steuertransistoren und damit auch

eine gleichzeitige Ansteuerung der beiden Schalt- bzw. Stelltransistoren.

Eine weitere Verbesserung der erfindungsgemäßen Sicherheitsbarriere kann darin bestehen, daß die Kollektoren beider Steuertransistoren jeweils an die Basis je eines weiteren Steuertransistors angeschlossen sind, welche weiteren Steuertransistoren die Schalt- bzw. Stelltransistoren ansteuern. Diese Ausführung ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung insoweit als die Regelung verbessert ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann dahingehen, daß die Kollektoren beider Steuertransistoren (T3 und T4) jeweils an die Basis je eines weiteren Steuertransistors angeschlossen sind, welche weitere Steuertransistoren die Schalttransistoren ansteuern.

Anhand der Zeichnung, in der der Stand der Technik sowie einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, soll die Erfindung und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigt:

Fig. 1 u. 2 je zwei Schaltungsanordnungen für eine Sicherheitsbarriere gemäß dem Stand der Technik,

eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sicherheitsbarriere,

eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sicherheitsbarriere,

30	Fig.	3
	Fig.	4
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Fig. 5 eine dritte,

Fig. 6 eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sicherheitsbarriere, und

Fig. 7 eine weitere Schaltungsanordnung, bei der

die Stromquelleneigenschaft des Schalttransistors selbst ausgenutzt ist.

Die Ausführungen gemäß Figuren 1 und 2 sind schon oben dargestellt worden. Es wird deshalb nunmehr bezug genommen auf die Figur 3-

Die Schaltungsanordnung besitzt eine Hinleitung H und eine Rückleitung R. Links ist der nichteigensichere und rechts der eigensichere, mit "i" bezeichnete Stromkreis; diese Zuordnung gilt auch für die Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 4 bis Fig. 6. Im übrigen bedeuten gleiche Buchstaben bzw. Bezugsziffern gleiche oder zumindest ähnliche Bauteile; es sind auch in den Ausgestaltungen gemäß den Figuren 1 und 2 gleiche oder zumindest ähnliche Bauteile wie in den Figuren 3 bis 6 verwendet.

In der Hinleitung 4 und dort im Emitter des ersten Schalt- oder Stelltransistors T1 ist der Fühlwiderstand R1 angeordnet. Der Kollektor des ersten Stelltransistors T1 ist mit dem Emitter des zweiten Stelltransistors T2 verbunden und der Kollektor des zweiten Stelltransistors ist mit dem Ausgang der Sicherheitsbarriere verbunden. Ein Ende des

Widerstandes R1 ist mit den Emittern jeweils eines Steuertransistors T3 und T4 verbunden, deren Basis über einen Widerstand R5 bzw. R6 mit dem anderen Ende des Widerstandes R1 verbunden sind; der Anschlußpunkt liegt

in der Emitterstrecke des ersten Schalttransistors. Die Kollektoren der beiden Transistoren T3 und T4 sind mit der Basis der beiden Schalttransistoren T1 und T2 verbunden, wobei zwischen dem Kollektor der Transistoren T3 und T4 und der Basis der Transistoren T1 und T2 je zwei Dioden 10 und 11 bzw. 12 und 13 zwischengeschaltet sind. Jeweils in.Reihe mit den beiden Dioden befindet sich jenseits des Anschlußpunktes der beiden Kollektoren von den Transistoren T3 und T4 jeweils ein Steuerwiderstand R3 und R4, deren anderes Ende mit der Rückleitung verbunden ist.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist wegen der Verringerung der Zahl der Fühlwiderstände gegenüber dem Stand der Technik erreicht worden, daß der Spannungsabfall erheblich verringert ist. Zur Regelung des an der Hinleitung abzunehmenden Stromes wird der Spannungsabfall lediglich des Widerstandes R1 ausgenutzt. Der in der Schaltungsanordnung entstehende gesamte Spannungsabfall ist gegenüber den bekannten Ausführungen nach Fig. 1 und 2 praktisch halbiert worden. Der Spannungsabfall der Anordnung gemäß Fig. 1 beträgt mindestens:

IP χ R3 + ÜBE1 + UBE3 + UCEsat2 + ÜBE4 = 3 χ ÜBE + ÜCEsat + IB χ R3

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 beträgt der Spannungsabfall mindestens
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ÜBE3 + ÜCEsat1 + UBE4 + ÜCEsat2 = 2 χ ÜBE + 2 χ ÜCEsat

Der Spannungsabfall bei der Ausführung nach der Fig. 3 beträgt jetzt mindestens:

UBE3 + UCEsati + UCEsat2 = UBE + 2 χ UCEsat Dies bedeutet gegenüber der Ausführung nach Fig. 2, wie

man aus der Gleichung leicht entnehmen kann, nahezu eine Halbierung.

Eine weitere Variante zeigt die Fig. 4. Die Schalttransistoren T1 und T2, die in der Ausführungsform nach Fig.

3 als PNP-Transistoren ausgebildet sind (ebenso wie die Steuertransistoren T3 und T4) sind nunmehr als hochohmig steuerbare MOS-Leistungshalbleiter ausgebildet. Dadurch ist es möglich, anstatt der Dioden 10 und 11 bzw. 12 und 13 je einen Widerstand R7 und R8 an die Basis der beiden Schalttransistoren TI und T2 anzuschließen. Durch die Verwendung derartiger Leistungshalbleiter können die beiden Widerstände R3 und R4 sehr hochohmig ausgebildet werden (z.B. 10MOhm), so daß der Fehlstrom nach Masse bzw. zur Rückleitung R fast vernachlässigbar ist.

Zusätzlich ergibt sich durch den hohen Wert von R3 und R4 eine sehr gute Regelverstärkung. Der Gesamtspannungsabfall mit einer Schaltung mit einem Kurzschlußstrom von 23,2 mA nach Fig. 4 beträgt bspw. nur 0,5 Volt bei 22 mA. Die Schaltungsanordnung ist wegen der Schwellspannung MOS-Leistungstransistoren T1 und T2 allerdings erst ab ca. 5 Volt betriebsbereit.

Während die Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 3 und 4 einen Fehlstrom zur Rückleitung bzw. nach Masse besitzen, arbeitet die Schaltungsanordnung nach Fig. 5 ohne einen derartigen Fehlstrom nach Masse. Der Schalttransistor T1 ist ein PNP-Transistor, wobei sein Kollektor mit dem Kollektor des zweiten Schalttransistors T2 verbunden ist. Letzterer ist ein NPN-Transistor. Der Emitter dieses Transistors ist über den Widerstand R1

mit der Ausgangsleitung H (Hinleitung) verbunden. Der Widerstand R1 ist nunmehr gemeinsamer Widerstand für die beiden Steuertransistoren T3 und T4 und zwar in folgender Zusammenschaltung:
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Das dem Emitter des Transistors T2 benachbarte Ende ist mit dem Emitter des Steuertransistors T3 und mit der Basis des Steuertransistors T4 verbunden, wobei an der Basis des Transistors T4 ein weiterer Widerstand R10 angeschlossen ist.

Die Basis des Transistors T3 ist über einen Widerstand RI1 und zwei Dioden 14 und 15 zusammen mit dem Emitter des anderen Transistors T4 an das andere Ende des Widerstandes R1 geschaltet. Zwischen dem Widerstand R11 und der Diode R14 ist ein Ende des Widerstandes R5 geschaltet, dessen anderes Ende am Emitter des Transistors T1 angeschlossen ist. Am Emitter des Transistors T1 ist ferner ein Ende des Widerstandes R4 angeschlossen, dessen anderes Ende sowohl mit der Basis des Transistors T2 als auch mit dem Kollektor des Transistors T4 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors T3 ist über den Widerstand R3 mit der Basis des Transistors T1 verbunden. Eine Verbindungsleitung hin zur Masse ist in der Schaltungsanordnung nicht erforderlich.

Damit bilden die Transistoren T2 und T4 sowie die Widerstände R1 und R4 eine Stromquelle, die ähnlich derjenigen ist, wie in Fig. 1 dargestellt. Der Transistor T3 ist über den Transistor R5 solange leitend, bis UBE3 = 2 χ UD -UR1 ist. Für eine Spannung UD = UBE beginnt der Transistor T3 bei ca. UR1 = 0,6VoIt zu sperren. Der Transistor T1 wird über den Widerstand R3 und den leitenden Transistor T3 angesteuert und bei steigendem Strom durch den Widerstand R1 sperrt der Transistor T3 und damit auch der Transistor T1. Der Mindestspannungsabfall beträgt:

UBE1 + IB χ R3 + ÜCEsat3 + UBE4
= 2 χ ÜBE + IB χ R3 + UCEsat

In der Fig. 6 ist eine Weiterentwicklung der Ausgestaltung gemäß Fig. 5 dargestellt. Die beiden Schalttransistoren T1 und T2 sind PNP-Transistoren; der Kollektor des Transistors T2 ist mit einem Ende des Widerstandes R1 verbunden, wobei zwischen dem Kollektor des Transistors T2 und diesem Ende des Widerstandes R1 die Basis zweier Steuertransistoren T5 und T6 unter Zwischenfügung von Widerständen R7 und R8 angeschlossen sind. Die Emitter der beiden Transistoren T5 und T6 sind mit dem anderen Ende des Widerstandes R1 verbunden. Die beiden Kollektoren der Transistoren T5 und T6 sind mit der Basis der beiden Steuertransistoren T3 und T4 verbunden; zwischen dem Anschlußpunkt des Kollektors der Transistoren T6 und T5 und der Basis der Transistoren T4 und T3 ist ein Ende des Widerstandes R6 bzw. R5 geschaltet, de.ren anderes Ende mit dem Emitter des Transistors T1 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors T1 ist mit dem Emitter des Transistors T2 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren T3 und TU sind jeweils über die Widerstände R3 und R4 mit der Basis der Transistoren T1 und T2 verbunden. Auch hier besteht eine Verbindung zwischen der Schaltungsanordnung und der Masseleitung bzw. Rückleitung R nicht, so daß ein Fehlstrom nicht auftritt. Der Vorteil dieser Schaltungsanordnung gegenüber derjenigen gemäß Fig. 5 liegt in der Ausnutzung des Spannungsabfalls an dem Widerstand R1 zur Ansteuerung der beiden Transistoren T1 und T2, so daß beide Transistoren in Sättigung gehen können. Der minimale Spannungsabfall bei dieser Schaltungsanordnung beträgt

UCEsat1 + UCEsat2 + UBE5 = 2 χ UCEsat + ÜBE

Mp.-Nr. 524/84 KJ

Bei allen diesen Schaltungsanordnungen wird der geringe Spannungsabfall erzielt durch die Verwendung des Spannungsabfalles an einem einzigen Widerstand für beide Strombegrenzerschaltungen und durch die sicherheitstechnische Verhinderung von nicht geregelten Strömen auch im Fehlerfall vom nicht eigensicheren Eingang zum eigensicheren Ausgang durch zwei in Reihe geschalteten Dioden in Sperrichtung oder durch Serienwiderstände und darüberhinaus durch die Verwendung von hochohmig steuerbaren Halbleitern.

Die polare Transistoren, wie sie bei den Ausführungen gemäß Fig. 1 bis 6 dargestellt sind, haben einen hohen Ausgangswiderstand. Dadurch sind sie prinzipiell als Stromquellen ohne regelnde Zusatzschaltungen verwendbar. Eine Ausnutzung für Sicherheitsbarrieren wird jedoch durch zwei Probleme erschwert: je höher der Strom wird, um so niedriger wird der Innenwiderstand und darüber hinaus muß die Basis mit Konstantstrom versorgt werden, der so zu steuern ist, daß die Temperaturabhängigkeit etwa kompensiert ist.

MOS-Transistoren haben den Vorteil, daß sie selbst bei hohen Strömen sehr gute Stromquellen sind und vor allen Dingen hochohmig spannungsgesteuert werden können. Insoweit sind, wie anhand der Figur 4 dargestellt ist, MOS-Leistungshalbleiter bzw. Leistungstransistoren sehr gut verwendbar, wobei allerdings bei letzteren eine bestimmte Mindestspannung vorhanden sein muß. Der Gesamtspannungsabfall dieser erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen liegt in etwa bei 0,5 Volt.

Ein Fühlwiderstand für die Regelung wird nicht mehr benötigt, wenn die Stromquelleneigenschaft des Bauteils

selbst ausgenutzt wird. Beispielhaft wird hierzu die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 7 beschrieben. In die Hinleitung H ist ein solcher MOS-Leisungshalbleiter T1 (Bezeichnung BSS 97) geschaltet, dessen Basis mit einem Widerstand R15 (Spannungsteilerschaltung) verbunden ist. Zwischen der Hin- und Rückleitung R liegen eine Zenerdiode 16 und in Reihe damit ein hochohmiger Widerstand R 16. Der Widerstand R 15 ist einerseits vor dem Transistor T1 an die Hinleitung H und andererseits an den Verbindungspunkt Zenerdiode 16 Widerstand R16 angeschlossen. Hierbei wird die Stromquelleneigenschaft des Transistors T1 ausgenutzt, und bis einem Wert von 80% des Kurzschlußstromes tritt nur noch ein Spannungsabfall von 0,17V auf.
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Claims

Ansprüche

1.) Eigensichere Sicherheitsbarriere mit einer mit Begrenzungswiderständen und zwei Schalttransistoren versehenen Hinleitung und einer Rückleitung (Masseleitung) mit wenigstens zwei Steuertransistoren, die bei Erhöhung des Stromflusses in der Hinleitung die Schalttransistoren zur Regelung des Stromes ansteuern, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hinleitung lediglich ein Fühlwiderstand (R1) vorgesehen ist und daß der Fühlwiderstand den Basis-Emitterkreisen beider Steuertransistoren (T3 und T4) gemeinsam ist.

2. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitteranschluß beider Steuertransistoren (T3, T4) gemeinsam mit einem Ende des Fühlwiderstandes (R1) und die Basis beider Steuertransistoren direkt oder über IC einen Widerstand gemeinsam mit dem anderen Ende des Fühlwiderstandes verbunden sind.

3. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren beider Steuertransistoren (T3 und T4) jeweils an die Basis je eines weiteren Steuertransistors angeschlossen sind, welche weitere Steuertransistoren die Schalttransistoren ansteuern.

4. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des einen Steuertransistors gemeinsam mit der Basis des anderen Steuertransistors mit einem Ende und der Emitter des anderen

Steuertransistors gemeinsam mit der Basis des einen Steuertransistors mit dem anderen Ende des Fühlwiderstandes verbunden sind.