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Die Erfindung betrifft Shuntdioden-Sicherheitsbarrieren, wie
sie beispielsweise zum Schützen elektrischer Schaltungen und
Vorrichtungen verwendet werden, die sich in
Gefahrenbereichen befinden. Die Sicherheitsbarriere begrenzt die Spannung
und den Strom, die die Schaltungen und Vorrichtung im Fall
eines elektrischen Fehlers im Sicherheitsbereich erreichen.
Jegliche Funken, die dann infolge von Fehlern im
Gefahrenbereich auftreten, sind auf eine Größe beschränkt, die
keinerlei zündfähige Gase, Flüssigkeiten oder sonstige
Materialien entzündet, die vorhanden sein können.
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Die vorliegende Anmeldung bezieht sich insbesondere auf das
Vorsehen eines Überspannungsschutzes für derartige
Barrieren.
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Die meisten Shuntdioden-Sicherheitsbarrieren sind
"sicherungs-geschützt". Wie in der exemplarischen bekannten
Schaltung von Fig. 1 gezeigt ist, die den in der DE-A-2 213 243
beschriebenen Sicherheitsbarrieren sehr ähnlich ist,
umfassen sie eine Sicherung F, zwei oder drei Ketten von
Zener- oder anderen, im Shunt angeschlossenen Dioden und einen
Abschlußwiderstand R oder sein Äquivalent. Bei Normalbetrieb
durchläuft die Barriere das gewünschte Signal und die Dioden
leiten nicht. Wenn jedoch die an die Barriere angelegte
Spannung zu hoch ist, dann schlägt die Sicherung F durch und
schützt die Dioden vor Beschädigung. Die Dioden begrenzen
die Ausgangsspannung der Barriere, und der
Abschlußwiderstand R begrenzt den Strom.
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Die meisten Barrieren leiten Signale in beiden Richtungen
weiter. Einige sind für eine Einrichtungsübertragung
konzipiert. Zwei oder mehrere Einkanal-Barrieren werden in der
Praxis häufig als Mehrkanal-Einheiten für eine spezielle
Messung oder Steueranwendung kombiniert.
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Die Bauteile einer Barriere einschließlich der Sicherung
sind normalerweise in einer Vergußmasse eingekapselt, um den
Anforderungen von zertifizierenden Behörden nachzukommen.
Demzufolge kann die Sicherheitsbarriere nicht repariert
werden. Wenn die Sicherung durchschlägt, dann wird die Barriere
nutzlos und muß durch eine andere Barriere ersetzt werden.
Zusätzlich zu den Kosten hat dies den Nachteil, daß es dazu
führt, daß die Messung oder Steuerungsschleife aufhört zu
arbeiten.
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Bei vielen Anwendungen haben die Schaltungen, an die eine
Sicherheitsbarriere im Sicherheitsbereich angeschlossen ist,
nicht die Spannungs- und Stromtauglichkeit, die Sicherung
durchzuschlagen, und es ist bei Sicherheitsbarrieren dieses
Schaltungstyps selten, daß sie außer Funktion gesetzt
werden. Beispielsweise können die Eingangskreise von mit
Gefahrenbereichssensoren verbundenen Verstärkern und die
Ausgangskreise von mit einer Gefahrenbereichssteuereinrichtung
verbundenen elektronischen Regeleinrichtungen normalerweise
keine ausreichende Leistung abgeben.
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Es gibt jedoch einen Bereich von Anwendungen, bei denen die
Sicherung während des Betriebs oder der anfänglichen
Installation unbeabsichtigt durchschlagen werden kann. Bei den
meisten dieser Anwendungen ist die Barriere an eine
Spannungsversorgung im Sicherheitsbereich angeschlossen. Wenn
die Versorgungsspannung unzureichend stabilisiert ist oder
wenn die Versorgung schlecht arbeitet oder nicht korrekt
eingestellt ist, kann sie die Sicherungen in sämtlichen
Barrieren durchschlagen, an die sie angeschlossen ist, manchmal
mehrere hundert Barrieren. Dieselbe Wirkung kann durch
Spannungsstöße auf den Versorgungsleitungen herbeigeführt
werden, wenn Bereitschaftsbatterien auf Ladung gesetzt werden
oder große induktive Lasten geschaltet werden oder wenn es
nahegelegene Blitzentladungen gibt. Während der
Anfangsinstallation können Sicherungen durchgeschlagen werden, wenn
die Spannungsversorgung irrtümlich an einen Barrierenkanal
angeschlossen wird, der nicht dazu vorgesehen ist, die
Versorgungsspannung aus zuhalten.
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Anwendungen dieser Art umfassen den Betrieb durch eine
Sicherheitsbarriere von Solenoidventilen, Alarmeinrichtungen
und Leuchtdioden in einem Gefahrenbereich und das Betreiben
von Relais oder anderen Einrichtungen in einem
Sicherheitsbereich durch eine Sicherheitsbarriere mittels eines
Schalters, der sich in einem Gefahrenbereich befindet. Diese
Beispiele benötigen sämtlich eine Spannungsquelle.
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Es ist in vielen Fällen nicht durchführbar, den offenbaren
Weg einzuschlagen, eine Sicherheitsbarriere mit einem
höheren Spannungsgrenzwert zu wählen, da die Barriere dann einen
höheren Widerstand haben muß und nicht ausreichend Leistung
bei der normalen Arbeitsspannung übertragen kann. Dies ist
insbesondere der Fall, wenn die Sicherheitsbarriere für die
Verwendung mit Schaltungen in Gefahrenbereichen geeignet
sein soll, wo leicht entzündbare Gase wie Wasserstoff
vorhanden sein können.
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Eine Lösung dieses Problems, die gelegentlich eingeschlagen
wird, ist, eine zusätzliche Sicherung in Reihe mit der
Versorgung für jede Barriere und außerhalb von dieser
einzubauen. Solche zusätzlichen Sicherungen belegen jedoch
wertvollen Raum, und die Kosten ihrer Montage sind bedeutsam.
Überdies müssen sie niedrigere Grenzwerte als die
Sicherungen in den Sicherheitsbarrieren aufweisen, so daß sie als
erste durchschlagen. Dies verschlechtert daher die Leistung
der Schleife, beispielsweise durch Durchschlagen, wenn die
Barriere im Gefahrenbereich kurzgeschlossen wird. Diese
zusätzlichen Sicherungen erhöhen auch den Widerstand der
Schleife.
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Eine alternative bekannte Lösung ist, eine zweite,
austauschbare Sicherung auf der Barriere selbst einzubauen.
Dies nimmt weniger Platz ein und erspart den
Benutzerverdruß, leidet jedoch unter demselben Nachteil, daß es die
Leistung verschlechtert. Es erhöht auch die Kosten und
Abmessungen der Barriere.
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Eine noch weitere bekannte Lösung ist, die einzige Sicherung
in jedem Barrierenkanal als austauschbares Teil mit
irgendeiner Form des "Verschlüsselns" auszuführen, um einen
Austausch durch eine andere Sicherung mit dem korrekten Wert
sicherzustellen. Eine derartige Lösung ist für die
zertifizierenden Behörden in einigen Ländern annehmbar, aber in den
meisten Ländern nicht annehmbar.
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Jede dieser drei bekannten "Lösungen" hat den Hauptnachteil,
daß die Messung oder Steuerschleife zu arbeiten aufhört,
wenn die Sicherung durchschlägt.
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Die DE-B-1 816 553 beschreibt eine Sicherheitsbarriere für
einen Anschluß an eine Spannungsversorgung und umfaßt
Sicherungen, Shuntdiodeneinrichtungen und Strombegrenzerkreise,
die in der Reihenfolge zwischen der Spannungsversorgung und
der Last angeordnet sind.
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Die US-A-3 818 273 beschreibt eine
Barrieren-Isolatoreinrichtung, die einen Überlastschutzkreis enthält.
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Die WO-A-86/02786 beschreibt einen
Festkörperschaltkreisunterbrecher, der die Schaltung und auch den Unterbrecher vor
großen Stromstößen schützt. Der Schutz der Last und einer
Shuntdiode wird durch wiederholtes Öffnen eines
Halbleiterschalters bewirkt.
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Die US-A-4099216 beschreibt eine sicherungslose
Sicherheitsbarriere, die einen Strombegrenzerkreis enthält, um eine
Zerstörung von Bauteilen unter Fehlerbedingungen
zuverhindern.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine
Shuntdioden-Sicherheitsbarriere mit Überspannungsschutz zu
schaffen, die für die Verwendung mit ungeregelten
Spannungsversorgungen geeignet ist.
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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung,
Shuntdioden-Sicherheitsbarrieren zu schaffen, um Schutz für in
Gefahrenbereichen befindliche Schalter und Solenoide zu geben.
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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine
Shuntdioden-Sicherheitsbarriere zu schaffen, die entweder für eine
1-Kanal- oder eine 2-Kanal-Barriere geeignet ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine
Shuntdioden-Sicherheitsbarriere vorgesehen, angeordnet zum Anschluß an
eine Spannungsversorgung und umfassend Shuntdiodenmittel,
ein Schmelzbauteil auf der Spannungsversorgungsseite der
Shuntdiodenmittel, einen in Reihe mit dem Schmelzbauteil
angeschlossenen und zur Schaltung in Reihe mit einer Last
angeordneten Strombegrenzerkreis und Wärmeschutzmittel, um
eine Überhitzung der Barrierenbauteile zu verhindern, wenn
eine übermäßige Spannung angelegt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß der Strombegrenzerkreis in Reihe zwischen dem
Schmelzbauteil und dem Shuntdiodenmittel geschaltet ist und
so angeordnet ist, daß das Schmelzbauteil gegen angelegte
Spannungen größer als die normale maximale Arbeitsspannung
geschützt ist, und daß das Wärmeschutzmittel eine Zenerdiode
innerhalb der Sicherheitsbarriere und angeschlossen zwischen
dem Schmelzbauteil und dem Strombegrenzerkreis umfaßt.
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Viele weitere Verfahren des Wärmeschutzes sind in
Kombination mit Überspannungsklemmelementen bekannt geworden, aber
die Anordnung gemäß der Erfindung hat Vorteile.
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Die Verwendung eines Strombegrenzerkreises innerhalb der
Sicherheitsbarriere hat eine Anzahl von Vorteilen. Die
Barriere kann im wesentlichen normal arbeiten und abhängig von
der Versorgungsspannung ein Signal bis herauf zur
Arbeitsspannung der Barriere übertragen. Außerdem schützt der
Strombegrenzerkreis die Sicherung gegen angelegte Spannungen
größer als die maximale Arbeitsspannung. Dies beruht darauf,
daß der Strombegrenzerkreis normalerweise "geklemmt" ist,
und führt lediglich einen kleinen Spannungsabfall ein, aber
angeordnet ist, um den Strom auf einen Wert zu begrenzen,
der die Sicherung nicht durchschlagen wird, sollte die an
die Barriere angelegte Spannung über die normale maximale
Arbeitsspannung erhöht werden. Ein noch weiterer Vorteil
ist, daß die Verwendung eines Strombegrenzerkreises
sicherstellt, daß die Sicherung nicht durch Kurzschlüsse in einem
Gefahrenbereich durchgeschlagen wird. Des weiteren sind
Strombegrenzerkreise einfach und kostengünstig.
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Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung umfaßt die
Sicherheitsbarriere Mittel zum Schützen der Sicherung gegen
das mögliche Anlegen von Rückwärtsspannungen. Dies kann
durch das Einschließen einer in Reihe mit der Sicherung
angeschlossenen Diode erreicht werden.
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Damit die Erfindung vollständiger verstanden wird, wird nun
eine Anzahl von Ausführungsbeispielen von
Sicherheitsbarrieren gemäß der Erfindung beispielhaft und unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer bekannten
Shuntdioden-Sicherheitsbarriere ist;
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Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines ersten
Ausführungsbeispiels einer Sicherheitsbarriere gemäß der
vorliegenden Erfindung ist;
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Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines zweiten
Ausführungsbeispiels einer Sicherheitsbarriere gemäß der
vorliegenden Erfindung ist;
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Fig. 4 ein schematisches Schaltbild eines dritten
Ausführungsbeispiels einer Sicherheitsbarriere gemäß der
Erfindung ist;
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Fig. 5 ein Beispiel eines zur Verwendung bei den
Sicherheitsbarrieren von Fig. 2, 3 und 4 geeigneten
Strombegrenzerkreises zeigt;
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Fig. 6 ein zweites Beispiel eines Strombegrenzerkreises
zeigt; und
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Fig. 7 ein drittes Beispiel eines geeigneten
Strombegrenzerkreises zeigt.
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Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein
Solenoidventil, eine Alarmvorrichtung, Anordnung von
Leuchtdioden, etc. 10 innerhalb eines Gefahrenbereiches angeordnet
und wird durch eine allgemein bei 12 angezeigte Shuntdioden-
Sicherheitsbarriere mittels eines Schalters 13 betätigt,
wobei sich die Sicherheitsbarriere und der Schalter in einem
Sicherheitsbereich befinden. Die in der Zeichnung gegebenen
Zahlenwerte für die verschiedenen elektrischen Bauteile sind
lediglich beispielhaft und sollen nicht so betrachtet
werden, daß sie irgendeine einschränkende Bedeutung haben. Die
Sicherheitsbarriere ist an eine Spannungsversorgung 15
angeschlossen,
die als +35V. maximum angezeigt ist. Da die
Barriere einen eingebauten Überspannungsschutz aufweist, kann
sich die Spannungsversorgung 15 über einen großen
Spannungsbereich ändern, ohne daß die für herkömmliche Barrieren
benötigte, eng geregelte Spannungsversorgung erforderlich
ist. Die Sicherheitsbarriere 12 umfaßt eine Sicherung F1,
eine Kette oder Ketten von Zener- oder anderen Dioden 14 und
einen Abschlußwiderstand R1. Zwischen der Sicherung F1 und
der Diodenkette 14 ist ein allgemein bei 16 angezeigter
Strombegrenzerkreis angeschlossen. Eine Diode D1 ist in
Reihe mit der Sicherung F1 zwischen der Sicherung und dem
Strombegrenzerkreis 16 angeschlossen, um die Sicherung gegen
das mögliche Anlegen von Rückwärtsspannungen zu schützen.
Dies ist ein fakultatives Merkmal bei der
Sicherheitsbarriere. Mit dem Einbau von elektronischen Schaltungen in
einer Sicherheitsbarriere, wie dem Strombegrenzerkreis 16, ist
es erforderlich, die Barrierenbauteile gegen Überhitzung zu
schützen, wenn eine überhöhte Spannung angelegt wird. Dies
wird hier bewerkstelligt, indem eine zweckmäßige
Wärmeschutz-Zenerdiode D2 mit relativ hoher Spannung innerhalb
der Sicherheitsbarriere zwischen der Sicherung F1 und dem
Strombegrenzerkreis 16 vorgesehen wird.
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Der Strombegrenzerkreis 16 ist normalerweise "geklemmt" und
führt nur einen kleinen Spannungsabfall ein, ist aber
angeordnet, um den Strom auf einen Wert zu begrenzen, der die
Sicherung F1 nicht durchschlägt, wenn die an die Barriere 12
angelegte Spannung über die normale maximale Arbeitsspannung
erhöht wird. Es ist ein wichtiges Merkmal der
Sicherheitsbarriere der vorliegenden Erfindung, daß der
Strombegrenzerkreis 16 zwischen der Schmelzsicherung F1 und den
Shuntdiodenelementen der Sicherheitsbarriere angeordnet ist, d. h.
am Sicherheitsbereichsende der Sicherheitsbarriere
vorgesehen ist.
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Bei einer abgewandelten Version der in Fig. 2 gezeigten
Sicherheitsbarriere kann eine zweite Sicherung enthalten sein,
in Reihe mit dem Strombegrenzerkreis 16 auf dessen
Gefahrenbereichsseite zwischen dem Stromkreis 16 und den Shuntdioden
14 angeschlossen. Bei dieser Anordnung wird die
Wärmeschutzsicherung F1 lediglich dazu verwendet, die Zenerdiode D2 zu
schützen, und die zweite Sicherung schützt die Zenerdioden
14. Einige Zertifikationsbehörden akzeptieren diese
abgewandelte Version, ohne daß die Sicherung F1 und die Diode D2
zusammengepaßt sind.
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Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem sich
ein Schalter 20 im Gefahrenbereich befindet und angeordnet
ist, um eine Last 22, beispielsweise ein Relais, das sich
innerhalb des Sicherheitsbereiches befindet, über die
Sicherheitsbarriere zu betätigen. Gefahrenbereichschalter sind
häufig Teil von Überwachungssystemen, die sicherstellen, daß
der Prozeß sicher ist. Daher ist eine übergeordnete
Anforderung, daß die sie enthaltenden Schaltungen im Fall eines
Erdungsfehlers im Gefahrenbereich "ausfallsicher" sind, d. h.
die Last sollte wie bei einem offenen Schalter abgeschaltet
werden. Dies macht zwei Barrierenkanäle erforderlich. Die in
Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiele sind 2-Kanal-
Barrieren mit Überspannungsschutz. Der an die
Spannungsversorgung (+35V. max.) angeschlossene eine Kanal ist, wie in
Fig. 2 gezeigt, mit dem Zusatz der oben genannten zweiten
Sicherung F2, während der zweite Kanal, wie in Fig. 3
gezeigt, einen Widerstand R2, eine Reihe von zwei oder drei im
Shunt angeschlossenen Niederleistungszenerdioden 24 und eine
Sicherung F3 umfaßt. Zwischen den Shuntdioden 24 und der
Sicherung F3 ist eine Reihe von zwei oder drei herkömmlichen
Dioden D3 vorgesehen, um als Diodenrückflußbarriere zu
dienen. Alternativ könnte der zweite Kanal wie in Fig. 4
gezeigt sein. Hier umfaßt der zweite Kanal den Widerstand R2,
eine Reihe von zwei oder drei im Shunt angeschlossenen
Zenerdioden 24 und eine Sicherung F3. Eine Reihe von zwei oder
drei herkömmlichen oder Schottky-Dioden D3 ist bei einem
Gefahrenbereichsende dieses zweiten Kanals vorgesehen.
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Fig. 5 bis 7 zeigen drei Beispiele eines
Strombegrenzerkreises, der als der Kreis 16 in Fig. 2, 3 und 4 verwendet
werden kann. In jeder dieser Figuren ist auch die
Wärmeschutz-Zenerdiode D2 zusammen mit der Sicherung F1 gezeigt,
obwohl kein Bauteil Teil des Strombegrenzerkreises selbst
ist. Der in Fig. 5 gezeigte Strombegrenzerkreis umfaßt erste
und zweite Transistoren T1 und T2, einen Widerstand R3 in
Reihe mit der Basis des Transistors T1 und einen zwischen
der Sicherung F1 und dem Emitter des Transistors T1
angeschlossenen Widerstand R4. Dieser Kreis hat einen niedrigen
Reihenspannungsabfall, wenn geklemmt. Er zieht im Shunt
einen kleinen Strom, der für die meisten Anwendungen nicht
bedeutsam ist.
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Die in Fig. 6 gezeigte Schaltung umfaßt Transistoren T3 und
T4 und zugeordnete Widerstände R5 und R6. Diese Schaltung
zieht keinen Shuntstrom, hat jedoch einen größeren
Reihenspannungsabfall.
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Die in Fig. 7 gezeigte Schaltung liefert außerdem eine
Spannungsregelung derart, daß der Strom nicht plötzlich auf den
Grenzwert ansteigt, wenn die Versorgungsspannung die normale
Arbeitsspannung der Barriere übersteigt. Dies erleichtert
die Spannungsversorgungsanforderung an ein System, das viele
Barrieren aufweist. Der Strombegrenzerkreis kommt in der
Praxis lediglich in Gang, wenn der Ausgang der Barrieren
kurzgeschlossen ist. Diese Schaltung umfaßt drei
Transistoren T5, T6 und T7 mit zugehörigen Widerständen R7 bis R10
und eine an den Emitter des Transistors T7 angeschlossenen
Zenerdiode D4.