DE3622268C1 - Sicherheitsbarriere - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Sicherheits­ barriere mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An­ spruches 1 zum Schutz von in explosionsgefährdeten Bereichen befindlichen Verbrauchern und/oder Meßwert­ gebern, die über Leitungen mit außerhalb der explo­ sionsgefährdeten Bereiche befindlichen Schaltungstei­ len verbunden sind (DD-PS 1 45 352).

Eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung zur Strombegren­ zung ist aus der DD-PS 1 45 352 bekannt, die als Längs­ steuerglied lediglich einen einzigen bipolaren Transistor enthält, um den Strom, der einem Verbraucher zugeführt wird, auf zulässige Werte zu begrenzen. Zu diesem Zweck wird der Transistor im Längszweig durch einen Widerstand, der zwischen Kollektor und Basis geschaltet ist, norma­ lerweise im aufgesteuerten Zustand gehalten. Mit Hilfe eines zweiten Regeltransistors kann der durch den Wi­ derstand fließende Strom von der Basis des Längstransistors abgeleitet werden, um den Längstransistor mehr oder weniger in den Sperrzustand zu steuern.

Die Steuerspannung für den Regeltransistor bildet der Spannungsabfall an einem im Emitterkreis des Längs­ transistors liegenden Widerstand zusammen mit dem Span­ nungsabfall, der an dem mehr oder weniger gesperrten Längstransistor abfällt.

Dadurch, daß die Steuerspannung für den Regeltransistor nicht nur der Spannungsabfall am Emitterwiderstand ist, sondern zusätzlich die am Längstransistor abfallende Spannung, entsteht eine Rück- oder Mitkopplungswirkung, die dafür sorgt, die Begrenzungscharakteristik der Strom­ begrenzungsschaltung zu versteilern oder sogar rückläufig zu gestalten.

Allerdings führt bei der bekannten Strombegrenzungsschal­ tung bereits der Ausfall eines einzigen Bauteils zum Funktionsverlust. Je nach auftretendem Fehler kann der Funktionsverlust entweder darin bestehen, daß der Ausgang der Strombegrenzungsschaltung von ihrem Ein­ gang quasi abgeschaltet wird oder Ein- und Ausgang un­ mittelbar miteinander durchverbunden werden, so daß die Spannung am Ausgang der Begrenzungsschaltung be­ liebig der Spannung am Eingang folgt. Der letztgenannte Fehler ist besonders gefährlich, wenn die Schaltung in einer Sicherheitsbarriere verwendet wird, um einen ei­ gensicheren Stromkreis nach DIN EN 50020 abzusichern.

Der letztgenannte Fehlerfall läßt sich zwar dadurch umgehen, daß zwei der bekannten Strombegrenzungsschal­ tungen hintereinander angeordnet werden, doch erhöht sich dann der Innenwiderstand der hintereinander ange­ ordneten Schaltungen auch beim Betrieb unterhalb der Begrenzungskennlinie, was bei einer Sicherheitsbarriere den Normalfall darstellt.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Sicherheitsbarriere mit steiler Begrenzungskennlinie zu schaffen, die im Normalbtriebsfall einen geringen Innenwiderstand aufweist und fehlertolerant ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Sicherheitsbarriere mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die neue Sicherheitsbarriere ist infolge ihres Aufbaus sogar gegenüber von Doppelfehlern tolerant, sofern die Fehler Bauelemente unterschiedlicher Funktionen be­ treffen. Die Sicherheitsbarriere erfüllt die Normen ANSI/UL 4913 für die USA und Kanada, UL 913 bzw. FM 3610 für die USA und den CSA-Standard C 22.2 No. 157-M 1979 für Kanada. Da darüber hinaus sämtliche Steuer­ kreise ihre Steuerspannung von demselben Längswider­ stand ableiten, erhöht die Verbesserung der Fehler­ toleranz nicht den Innenwiderstand der Sicherheits­ barriere.

Die Kennlinie der Sicherheitsbarriere läßt sich sehr einfach dadurch festlegen, daß jedem Steuer­ eingang der Steuerkreise ein Widerstands­ netzwerk zugeordnet ist. Die Verwendung des Wider­ standsnetzwerkes hat dabei außerdem den Vorteil, daß die einzelnen Steuerkreise eingangsseitig voneinander entkoppelt werden, so daß selbst bei Kurzschluß in ei­ nem der Steuerkreise die Ansteuerung des zugehörigen Längssteuergliedes im Sinne der gewünschten Strombegren­ zung durch die anderen Steuerkreise gewährleistet bleibt.

Das Widerstandsnetzwerk braucht lediglich zwei in Serie geschaltete ohmsche Widerstände zu enthalten, von denen der erste mit dem dem Barriereneingang zu­ gekehrten Anschluß des dem Barriereneingang benach­ barten Längssteuergliedes verbunden ist, während die Verbindungsstelle zwischen dem ersten und dem zwei­ ten ohmschen Widerstand an den Steuereingang des zu­ gehörigen Steuerkreises angeschlossen ist. Das freie Ende des zweiten Widerstandes kann entweder mit dem Barrierenausgang oder mit dem dem Barrierenausgang zugekehrten Anschluß des dem Barrierenausgang benach­ barten Längssteuergliedes verbunden sein. Im ersteren Falle läßt sich die am stärksten rückläufige Kennlinie erreichen, insbesondere wenn der zweite Widerstand groß gegenüber dem ersten Widerstand ist. Die Schal­ tung kippt dann nach Einsatz der Begrenzung in den anderen Betriebszustand um, wobei die Schaltgeschwin­ digkeit nur von den begrenzenden Kapazitäten des Steuerkreises oder der Miller-Kapazität des Längs­ steuergliedes begrenzt wird. Jeder der Steuerkreise kann als aktives Element einen selbstsperrenden MOS-Fet, einen bipolaren Transistor oder einen Thyristor ent­ halten, deren Gate- oder Basiselektrode den Steuer­ eingang bildet, deren Drain-, Emitter- oder Kathoden­ elektrode mit dem Barrierenausgang verbunden ist und deren Source-, Kollektor- oder Anodenelektrode an einen Widerstand angeschlossen ist, der zwischen dem Stromversorgungseingang und dem Steuerausgang des Steuerkreises liegt.

Als Längssteuerglied kommen sowohl ein bipolarer Transistor als auch ein selbstsperrender MOS-Fet in Frage.

Um die Verlustleistung an dem Längssteuerglied möglichst klein zu halten, kann es durch einen ohmschen Wider­ stand überbrückt sein, der so einen Teil des Barrie­ renstromes übernimmt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegen­ standes der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Sicherheitsbarriere gemäß der Erfindung in einem Blockschaltbild,

Fig. 2 die Ausgangskennlinie der Sicherheitsbarriere nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Detailschaltbild der Grundschaltung der Sicherheitsbarriere nach Fig. 1 und

Fig. 4 das Detailschaltbild der fehlertoleranten Sicherheitsbarriere gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Sicherheitsbarriere 1 im Blockschalt­ bild dargestellt. Diese Sicherheitsbarriere dient dazu, Strom und Spannung auf ihrer eigensicheren Ausgangsseite auf einen Wert zu begrenzen, von dem keine Explosionsge­ fährdung ausgeht. Die Sicherheitsbarriere liegt deshalb in Stromkreisen, die in einen explosionsgefährdeten Bereich hineinführen; sie hat zum Anschluß der Leitungen dieser Stromkreise einen zwei Anschlüsse 2 und 3 aufweisenden Eingang 4 sowie einen ebenfalls zwei Anschlüsse 5 und 6 aufweisenden Ausgang 7, von dem die Leitungen in den ex­ plosionsgefährdeten Bereich führen. Die Anschlüsse 3 und 6 sind unmittelbar durchverbunden und ihre Verbindung stellt das Bezugspotential der Sicherheitsbarriere 1 bzw. die Schaltungsmasse, die ge­ erdet ist, dar.

Parallel zu dem Eingang 4 liegt die Serienschaltung aus einer Schmelzsicherung 8 sowie einer Z-Diode 9, durch die die Spannung an dem Ausgang 7 auf den der Durchbruch­ spannung der Z-Diode 9 entsprechenden Maximalwert begrenzt ist. Größere Eingangsspannungen führen zu einem Durchschmelzen der Sicherung 8 und damit zu einer Un­ terbrechung in der Sicherheitsbarriere.

Die Strombegrenzung geschieht mit einem Längssteuer­ glied 11, dessen eine Elektrode 12 an der Verbindungs­ stelle zwischen der Schmelzsicherung 8 und der Z-Diode 9 liegt und dessen Ausgangselektrode 13 mit einem Ein­ gang 14 eines Strommeßgliedes 15 verbunden ist, dessen Ausgang 16 unmittelbar zu dem Ausgangsanschluß 5 führt. Das Längssteuerglied 11 ist an seinem Eingang 17 steuerbar und liegt deswegen an einem Steuerausgang 18 eines Steuerkreises 19. Die Stromversorgung des Steuerkreises 19 erfolgt über dessen Stromversorgungs­ eingang 21, der ebenfalls mit der Verbindungsstelle zwischen der Schmelzsicherung 8 und der Z-Diode 9 ver­ bunden ist. Sein Eingangs- oder Steuersignal erhält der Steuerkreis 19 über seine beiden Anschlüsse 22 und 23, von denen der Anschluß 23 unmittelbar mit dem Ausgangsanschluß 5 verbunden ist, während der Anschluß 22 eine Summenspannung gegenüber dem Anschluß 23 er­ hält, die sich zusammensetzt aus zumindest einem Teil der Längsspannung bzw. des Spannungsabfalls an dem Längssteuerglied 11 sowie der Ausgangsspannung des Strommeßgliedes 15, das eine zu dem durch sie hindurch­ fließenden Strom proportionale Spannung an seinem Ausgang 24 gegenüber dem Anschluß 16 und damit dem Ausgangsanschluß 5 bzw. dem Eingangsanschluß 23 ab­ gibt. Die Summation der genannten Spannungen ist schematisch durch eine geschweifte Klammer 25 veran­ schaulicht.

Das Einspeisen des an dem Längssteuerglied entstehen­ den Spannungsabfalls in den Steuerkreis 19 geschieht über Leitungen 26 und 27, von denen eine mit der Eingangselektrode 12 und die andere mit der Ausgangs­ elektrode 13 verbunden ist.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Sicherheitsbarriere 1 ist nunmehr unter Hinzunahme des Ausgangsdiagramms aus Fig. 2 erläutert: Im normalen Betriebsfall wird an dem Ausgang 7 der Sicherheitsbarriere ein Strom abgenommen, der kleiner ist als ein Grenzwert I _G und es wird an dem Eingang 4 der Sicherheitsbarriere 1 eine Versorgungsspannung zur Verfügung gestellt, die kleiner ist als die Durchbruchspannung der Z-Diode 9, die in Fig. 2 mit U _Z bezeichnet ist. Unter diesen Betriebsbedingungen wird der Steuerkreis 19 an seinem Stromversorgungseingang 21 aus der den dem Eingang der Barriere 4 angeschlossenen Spannungsquelle mit Strom versorgt und gibt an seinem Steuerausgang 18 eine solche Signalspannung an den Steuereingang 17 des Längssteuergliedes 11 ab, die das Längssteuerglied 11 im leitenden Zustand hält, in dem eine geringe Längs­ spannung an dem Längssteuerglied 11 auftritt. Die Span­ nung zwischen den Leitungen 26 und 27 ist nahezu null.

Da der aus der Sicherheitsbarriere 1 fließende Strom klei­ ner ist als der Grenzstrom, erzeugt das Strommeßglied 15 an seinem Ausgang 24 gegenüber dem Anschluß 16 auch nur eine Spannung, die so bemessen ist, daß sie zusammen mit der Spannung zwischen den Anschlüssen 26 und 27 un­ ter einem vorgegebenen Schwellwert bleibt, d. h. die Spannung zwischen den Anschlüssen 22 und 23 des Steuer­ kreises 19 liegt unterhalb derjenigen Schwelle, über der die Steuerkreise 19 das Längssteuerglied zuzusteuern beginnt. Die Sicherheitsbarriere 1 beeinflußt deswegen praktisch nicht den durch sie hindurchfließenden Strom und die an dem Eingang 4 zu messende Impedanz entspricht weitgehend der Impedanz, die an dem Ausgang 7 ange­ schlossen ist. Dies entspricht einem Betriebsfall inner­ halb des durch die Eckpunkte U _Z und I _G festgelegten Rechteckts in dem Koordinatensystem nach Fig. 2, in dem auf der Abszisse der Ausgangsstrom und der Ordinate die Ausgangsspannung aufgezeichnet ist.

Tritt ein Fehlerfall auf, der zu einem Ansteigen der Spannung an dem Eingang 4 führt, beginnt die Z-Diode 9 leitend zu werden, wenn ihre Z-Spannung überschritten wird. Das sehr steile Leitendwerden der Z-Diode 9 führt zu einem zusätzlichen Stromanstieg durch die Schmelz­ sicherung 8, die schließlich bei weiteren Anstieg der Eingangsspannung durchbrennt und damit den Ausgang 7 spannungslos schaltet.

Wenn andererseits der Ausgang 7 der Sicherheitsbarriere 1 zunehmend stärker belastet wird und den Grenzwert I _G überschreitet, erzeugt das Strommeßglied 15 zwischen den Anschlüssen 24 und 16 eine Ausgangsspannung, so daß die Summe aus dieser Spannung zusätzlich der zu­ nächst verschwindend kleinen Längsspannung an dem Längssteuerglied 11 die Schaltschwelle des Steuerkrei­ ses 19 übersteigt. Durch das Übersteigen dieser vor­ gegebenen Schaltschwelle entsteht an dem Steueraus­ gang 18 eine Spannung, die das Längssteuerglied 11 zusteuert, weshalb nunmehr an dem Längssteuerglied 11 ein entsprechender Spannungsabfall auftritt, der die Steuerspannung für den Steuerkreis 19, nämlich die Spannung zwischen den beiden Anschlüssen 22 und 23 betragsmäßig weiter vergrößert. Diese Verzögerung der Steuerspannung hat eine weitere Verringerung der Steuer­ spannung oder das Steuerstromes zu bzw. aus dem Längs­ steuerglied 11 zur Folge, das daraufhin weiter in Rich­ tung auf den Sperrzustand gesteuert wird. Je nach der Schleifenverstärkung in dem Regelkreis, der von dem Längssteuerglied 11, dem Strommeßglied 15 und dem Steuerkreis 19 gebildet ist, geht die Spannung an dem Ausgang 7 bei Überschreiten des Stromgrenzwertes I _G mehr oder weniger steil zurück. Entsprechend der Dimensionierung kann eine angenähert rechteckige Aus­ gangskennlinie erzielt werden, wie sie durch eine Ge­ rade 28 dargestellt ist, d. h. bereits nach einem sehr geringen Überschreiten des Grenzwertes I _G geht die Ausgangsspannung U _A auf den durch I _G und die am Aus­ gang 7 angeschlossene Last bestimmten Wert zurück, was bedeutet, daß sie bei Unterschreiten von I _G umgehend wieder auf den entsprechenden Ausgangswert zurückgeht.

Bei einer anderen Dimensionierung wird eine sog. "fold- back"-Kennlinie erreicht, wie sie durch eine Gerade 29 angedeutet ist. Eine Sicherheitsbarriere mit dieser Kenn­ linie würde den Strom durch die an dem Ausgang 7 angeschlos­ sene Last nach Überschreiten des Grenzwertes I _G schlag­ artig auf einen Wert I _M verringern. Im vorher genannten Fall würde dagegen der Ausgangsstrom unabhängig von der Ausgangsspannung immer seinen maximal zulässigen Wert I _G beibehalten. Die "fold-back"-Kennlinie hat dagegen den Vorteil, im Störungsfall, d. h. nach Über­ schreiten des Grenzwertes I _G , auch den Strom durch die Sicherheitsbarriere 1 zu verringern und damit die in dem Längssteuerglied 11 umgesetzte Verlustleistung zu ver­ kleinern.

Außerdem sind Dimensionierungen möglich, bei denen eine "fold-back"-Kennlinie auftritt, wobei jedoch nur eine der Belastung entsprechende Spannung bzw. Strom auftritt, die vom Minimalwert verschieden sind.

Diese Kennlinienformen gemäß der Kurve 28 oder der Kurve 29 entstehen dadurch, daß zusätzlich zu der aus dem Strommeßglied 15 erhaltenen Steuerspannung die Längs­ spannung des Längssteuergliedes 11 hinzuaddiert wird, sobald einmal das Längssteuerglied 11 durch den von dem Strommeßglied 15 ausgelösten Steuerkreis 19 aus der Durchlaßstellung in Richtung auf die Sperrstellung, ge­ steuert wird. Die Längsspannung des Längssteuerglie­ des 11, d. h. die Spannung zwischen den Anschlüssen 12 und 13 ist eine Rückkopplungsspannung, die die Wirkung der Ausgangsspannung aus dem Strommeßglied 15 ver­ stärkt. Ohne diese zusätzliche Rückführung oder Rück­ kopplung könnte sich wegen der endlichen Verstärkung in dem Steuerkreis 19 nur eine sehr viel flachere Begrenzungskennlinie einstellen, etwa gemäß einer in Fig. 2 gestrichelten Geraden 31.

Das Detailschaltbild einer Ausführungsform der Sicher­ heitsbarriere nach Fig. 1 ist in Fig. 3 gezeigt. Die einander entsprechenden Bauelemente und Anschlußpunk­ te sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

Aus Gründen einer größeren Fehlerredundanz und besseren Verlustleistungsverteilung ist die Z-Diode 9 gemäß Fig. 1 in der praktischen Ausführung durch die Serienparal­ lelschaltung von insgesamt vier Z-Dioden 9 a bis 9 d verwirklicht, so daß bei einer Leitungsunterbrechung in einer der vier Z-Dioden 9 a bis 9 d immer noch der andere Parallelzweig 9 a, 9 c oder 9 b, 9 d spannungsbe­ grenzend wirkt.

Zu der Schmelzsicherung 8 ist noch ein weiterer Schutzwi­ derstand 32 in Serie geschaltet, damit der Kurzschlußstrom auf einen Wert begrenzt wird, den die Schmelzsicherung 8 noch sicher trennen kann.

Das Längssteuerglied 11 besteht aus einem bipolaren npn-Transistor, dessen Kollektor den Eingangsanschluß 12 und dessen Emitter den Ausgangsanschluß 13 darstellt.

Das Strommeßglied 15, das mit dem Längssteuerglied, nämlich dem Transistor 11 in Serie liegt, ist ein ein­ facher ohmscher Widerstand, bei dem der Spannungsabfall dem Strom durch den Widerstand proportional ist, d. h. seine beiden Anschlüsse 14 und 16, über die der Barrieren­ strom fließt, sind auch gleichzeitig diejenigen Anschlüs­ se, über die die Ausgangsspannung zum Steuern des Steuer­ kreises 19 abgenommen wird.

Der Steuerkreis 19 besteht aus einem in Emitterschal­ tung betriebenen bipolaren Transistor 33 desselben Leitungstyps wie der Transistor 11, wobei der Emitter des Transistors 33 den Eingangsanschluß 23 und die Basis den weiteren Steuereingang 22 darstellen, d. h. der Transistor 33 des Steuerkreises 19 wird unmittel­ bar über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 33 gesteuert. Der Kollektor des Transistors 33 liegt an einem Widerstand 34, wobei die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 34 und dem Kollektor des Transistors 33 den Steuerausgang 18 des Steuerkreises 19 bildet, der mit der Basis, nämlich dem Steuerein­ gang 17 des Transistors 11 verbunden ist. Das freie Ende des Widerstandes 34 ist der Stromversorgungsein­ gang des Steuerkreises 19 und liegt deswegen an dem Kollektor des Transistors 11.

Die Summation der Ausgangsspannung des Strommeßgliedes 15 mit der Längsspannung an dem Transistor 11 geschieht mit Hilfe eines entsprechend geschalteten Spannungs­ teilers aus den beiden Widerständen 35 und 36. Der Spannungsteiler aus den Widerständen 35 und 36 liegt zwischen den beiden Leitungen 26 und 27, d. h. parallel zu der Arbeitsstrecke des Transistor 11, während die Verbindungsstelle zwischen den beiden Widerständen 35 und 36 an die Basis des Transistors 33 angeklemmt ist. Die Basis des Transistors 33 erhält hierdurch eine Steuerspannung, die sich zusammensetzt aus dem Spannungsabfall an dem Widerstand 15 zuzüglich der ent­ sprechend dem Spannungsteilerverhältnis der Widerstände 35 und 36 heruntergeteilten Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 11, also der Längsspannung des Längs­ steuergliedes.

Anstatt den Widerstand 36, wie mit ausgezogenen Linien dargestellt, an den Emitter des Transistors 11 anzu­ schließen, kann der Widerstand auch, wie gestrichelt, durch einen Widerstand 36′ veranschaulicht an den Emitter des Transistors 33 angeschlossen werden, was letztlich praktisch die gleiche Schaltungsfunktion zur Folge hat.

Dadurch, daß die Durchlaßspannung des Transistors 11 dem Spannungsabfall an dem Widerstand 15 bei der Er­ zeugung der Steuerspannung für den Transistor 33 über­ lagert ist, kann der Widerstand 15 kleiner dimensioniert werden: Die Durchlaßspannung eines nahe der Sättigung betriebenen Silizium-Transistors betrage ca. 0,4 V. Wenn der Spannungsteiler aus den beiden Widerständen 35 und 36 diese Spannung halbiert, steht an dem Wider­ stand 36 eine Spannung von 0,2 V an. Der Widerstand 15 braucht deswegen nur noch eine Größe aufzuweisen, die beim Grenzstrom I _G einen Spannungsabfall von 0,4 V erzeugt, damit beim Erreichen des Grenzstromes I _G die 0,6 V zustandekommen, die notwendig sind, um den Transistor 33 in den leitenden Bereich zu steuern. Ohne die Aufschaltung der Längsspannung des Transistors 11 müßte der Widerstand 15 entsprechend größer sein.

Im übrigen arbeitet die Schaltung wie oben beschrieben. Während des Normalbetriebes, also unterhalb einer Ausgangs­ spannung kleiner als U _Z und eines Stromes kleiner als I _G ist der Spannungsabfall an dem Widerstand 15 zusammen mit dem Spannungsabfall an dem Widerstand 36 zu klein, um den Transistor 33 aufzusteuern, der deshalb im Sperr­ zustand bleibt. Infolge des gesperrten Transistor 33 kann der gesamte Strom, der über den Widerstand 34 fließt, in die Basis des Transistors 11 fließen und hält den Transistor 11 durchgesteuert, unabhängig von der Größe des Stroms an dem Ausgang 7 der Sicher­ heitsbarriere 1. Steigt dagegen der an dem Ausgang 7 abgenommene Strom über den Grenzwert, dann liegt die Summe der Spannungen an dem Widerstand 36 und dem Wi­ derstand 15 über der Schwelle, bei der der Transistor 33 zu leiten beginnt, weshalb ein Teil des Stroms aus dem Widerstand 34 über den Transistor 33 zur Lastseite hin abgeleitet wird. Wenn die hierdurch an dem Schal­ tungspunkt 18 entstehende Stromverzweigung groß genug ist, wird der Transistor 11 zugesteuert, was eine Erhöhung des Spannungsab­ falls an dem Widerstand 36 zur Folge hat, an dem, wie oben ausgeführt, eine der Längsspannung an dem Transistor 11 proportionale Spannung ansteht. Die an dem Widerstand 36 entstehende Spannungserhöhung infolge des Zusteuerns des Transistors 11 bewirkt eine weitere Aufsteuerung des Transistors 33, der damit weiter Strom aus dem Widerstand 34 übernimmt. Je nachdem, wie groß und wie klein das Spannungsteilerverhältnis durch die Widerstände 35 und 36 ist, können Ausgangskenn­ linien erreicht werden, die zwischen den Kurven 31 und 29 von Fig. 2 liegen. Ein kleines Spannungsteiler­ verhältnis, also eine starke Rückführung der Längsspan­ nung des Transistors 11 an den Eingang des Transistors 33, hat die stark rückgefaltete Kennlinie 29 zur Folge, während ein großes Spannungsteilerverhältnis die Kenn­ linie in Richtung der gestrichelten Geraden 31 ver­ schiebt. Entsprechendes gilt für die Ausführungsform mit dem Widerstand 36′ anstelle des Widerstandes 36.

Ein zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors 33 vorgesehener Kondensator 37 dient lediglich der Unter­ drückung von Schwingneigungen und hat auf das statische Verhalten der Schaltung im übrigen keinen Einfluß.

Wenn es darauf ankommt, den thermisch empfindlichen Transistor 11, der im Längszweig der Sicherheitsbarriere 1 liegt, zu entlasten, kann er ohne weiteres, wie Fig. 3 zeigt, durch einen entsprechend großen Parallelwider­ stand 38 überbrückt werden, der zwischen Emitter und Kollektor des Transistors 11 geschaltet ist. Allerdings darf er nur eine Größe aufweisen, bei der der maximale Kurzschlußstrom bei zulässiger maximaler Spannung an dem Eingang 4 den zulässigen Grenzwert nicht überschreitet. Die steile Kennlinie wird allerdings nur eingehalten, weil als Steuerspannung für den Transistor 33 zusätzlich die Längsspannung des Transistors 11 verwendet wird. Andern­ falls könnte bei Erreichen des Grenzstromes keine ge­ nügend steile Begrenzungskennlinie erreicht werden.

In Fig. 4 ist eine bedingt fehlertolerante Sicherheits­ barriere 1 veranschaulicht, die die Normen ANSI/UL 4913 für USA und Kanada, UL 913 bzw. FM 3610 für USA und CSA- Standard C 22.2 No. 157-M1979 für Kanada erfüllt. Die Sicherheitsbarriere 1 besteht aus den­ selben Grundbauelementen bzw. Schaltkreisen wie die beiden Sicherheitsbarrieren nach den Fig. 1 und 3, ist jedoch hinsichtlich bestimmter Elemente doppelt bzw. vierfach ausgelegt. Die einander entsprechenden Bau­ teile sind mit derselben Bezugszahl versehen, die um einen Kleinbuchstaben ergänzt ist.

Um den Ausfall der Sicherheitsbarriere 1 auszuschließen, der dadurch entsteht, daß der Transistor im Längszweig, d. h. zwischen den beiden Anschlüssen 2 und 5 durchle­ giert, sind in Serienschaltung zwei bipolare Transisto­ ren 11 a und 11 c zwischen die beiden Anschlüsse 2 und 5 geschaltet. Selbst bei Durchlegieren eines der beiden Transistoren bleibt der andere steuerbar. Eine Unter­ brechung dagegen hätte ohnehin den Ausfall zur sicheren Seite zur Folge.

Beide Transistoren werden über jeweils zwei ausgangssei­ tig parallelgeschaltete Steuerkreise 19 a und 19 b bzw. 19 c und 19 d an ihren Basen angesteuert, wobei die Ar­ beitswiderstände 34 von jeweils zwei Steuerkreisen zusammengefaßt sind, insonfern, als es nur einen Arbeits­ widerstand 34 a und einen Arbeitswiderstand 34 c gibt, von denen der eine mit der Basis des Transistors 11 a und der andere mit der Basis des Transistors 11 c verbun­ den ist. Die Spannungsteiler aus den Widerständen 35 und 36 sind hingegen wiederum vierfach vorgesehen, wobei die Widerstände 35 a bis 35 d insgesamt mit ihren freien Enden am Kollektor des Transistors 11 a, d. h. am eingangs­ seitigen Ende des dem Eingang 4 benachbarten Längssteuer­ gliedes angeschlossen sind. Die freien Enden der anderen Widerstände 36 a bis 36 d liegen gemeinsam an der Ver­ knüpfung zwischen dem als Strommeßfühler dienenden Wi­ derstand 15 und dem Emitter des dem Ausgang 7 benach­ barten Transistors 11 c. Jeder der Spannungsteiler 35 a, 36 a bis 35 d, 36 d ist mit seinem Spannungsteilerabgriff an die Basis des jeweils zugehörigen Transistors 33 a bis 33 d angeschlossen, deren Emitter allesamt mit dem Anschluß 5 in Verbindung stehen.

Es werden auf diese Weise sämtliche Steuerkreise 19 a bis 19 d mit Steuerspannungen beaufschlagt, die die Summe aus dem Spannungsabfall an dem einzigen Strommeßwider­ stand 15 und der entsprechend den Widerstandsverhält­ nissen der Widerstände 35 und 36 heruntergeteilten Längsspannung der beiden hintereinandergeschalteten Transistoren 11 a und 11 c ist. Dies bedeutet, daß für alle Steuerkreise 9 a bis 9 d lediglich ein Strommeß­ glied vorhanden ist, womit sich der Innenwiderstand der Sicherheitsbarriere 1 nach Fig. 4 durch die Erhöhung der Anzahl der Steuerkreise 19 a bis 19 d zur Erzielung der Fehlersicherheit im Normalbetrieb nicht erhöht.

Da jeweils zwei Steuerkreise 19 a und 19 b bzw. 19 c und 19 d einen der im Längszweig liegenden Transistoren 11 a, 11 c steuern, bleibt die Steuerung auch dann erhalten, wenn einer der Transistoren 33 a oder 33 b eine Unterbre­ chung erleidet. Entsprechendes gilt für das Paar von Transistoren 33 c und 33 d, von denen jeder für sich den Transistor 11 c steuert. Auch der Kurzschluß eines der Transistoren 11 a oder 11 c als weiterer Fehler führt nicht zum Ausfall der Strombegrenzung.

Im Falle einer Stromüberlastung an dem Ausgang 7 begin­ nen die Steuerkreise 19 a bis 19 d, wie oben erläutert, ihre zugehörigen im Längszweig liegenden Transistoren 11 a und 11 c zuzusteuern, sobald der zusätzliche Span­ nungsabfall an dem Widerstand 15 dafür sorgt, daß die Steuerspannung an der Basis der Transistoren 33 a bis 33 d den entsprechenden Schwellwert überschreitet.

Durch die Anordnung der Widerstände 34 a und 34 c wird der Transistor 11 c im Sättigungszustand gehalten, was zu einer Verringerung des Innenwiderstandes führt.

Claims (10)

1. Elektrische Sicherheitsbarriere zum Schutz von in explosionsgefährdeten Bereichen befindlichen Verbrau­ chern und/oder Meßwertgebern, die über Leitungen mit außerhalb der explosionsgefährdeten Bereiche be­ findlichen Schaltungsteilen verbunden sind, mit
einem zwei Anschlüsse aufweisenden Barrierenein­ gang,
einem zwei Anschlüsse aufweisenden Barrierenaus­ gang,
wenigstens einem in einer Verbindung zwischen dem Barriereneingang und dem -ausgang liegenden elektro­ nischen Längssteuerglied mit einem Steuereingang,
einem in Serie mit dem Längssteuerglied geschal­ teten Strommeßglied, das eine den Strom durch das Längssteuerglied entsprechende Ausgangsspannung ab­ gibt, sowie mit
wenigstens einem einen Steuereingang aufweisenden Steuerkreis, dessen Stromversorgungseingang an dem dem Barriereingang zugekehrten Anschluß des Längs­ steuergliedes liegt, dessen Steuerausgang mit dem Steuereingang des Längssteuergliedes verbunden ist und dem als Steuerspannung wenigstens ein Teil der Ausgangsspannung des Strommeßgliedes sowie wenigstens ein Teil der an dem Längssteuerglied abfallenden Span­ nung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem ersten Längssteuerglied (11 a) ein zwei­ tes Längssteuerglied (11 c) in Serie geschal­ tet ist, daß zusätzlich zu dem ersten Steuerkreis (19 a) drei weitere gleich aufgebaute Steuerkreise (19 b, 19 c, 19 d) vorgesehen sind, deren Steuerein­ gänge (22 a bis 22 d) als Steuerspannung die Summe zumindest eines Teils der Ausgangsspannung des le­ diglich einen Strommeßgliedes (15) sowie zumindest eines Teils einer der Summe der Spannungsabfälle an den Längssteuergliedern (11 a, 11 c) entsprechen­ den Spannung zugeführt wird, und daß die Steueraus­ gänge (18 a, 18 c) von je zwei Steuerkreisen (19 a, 19 b bzw. 19 c, 19 d) mit dem Steuereingang (17 a, 17 c) von einem zugehörigen Längssteuerglied (11 a, 11 c) ver­ bunden sind.

2. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedem Steuereingang (22 a bis 22 d) der Steuerkreise (19 a bis 19 d) ein Widerstandsnetzwerk (35 a bis 35 d, 36 a bis 36 d) zugeordnet ist.

3. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedes Widerstandsnetzwerk lediglich zwei in Serie geschaltete ohmsche Widerstände (35 a bis 35 d, 36 a bis 36 d) enthält, von de­ nen der erste (35 a bis 35 d) mit dem dem Barrie­ reneingang (4) zugekehrten Anschluß des dem Barrie­ reneingang (4) benachbarten Längssteuergliedes (11 a) verbunden ist, und daß die Verbindungsstelle zwischen dem ersten und dem zweiten ohmschen Wider­ stand (35 a bis 35 d, 36 a bis 36 d) an dem Steuereingang (22 a bis 22 d) des zugehörigen Steuerkreises (19 a bis 19 d) angeschlossen ist.

4. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Widerstand (36 a bis 36 d) mit dem dem Barrierenausgang (7) zugekehrten Anschluß (16) des Strommeßgliedes (15) verbunden ist.

5. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Widerstand (36 a bis 36 d) mit dem dem Barrierenausgang (7) zugekehrten Anschluß (13, 13 c) des dem Barrierenausgang (7) benachbarten Längssteuergliedes (11 c) verbunden ist.

6. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Widerstand (36 a bis 36 d) groß gegenüber dem ersten Widerstand (35 a bis 35 d) ist.

7. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 1 dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Strommeßglied ein ohmscher Wider­ stand (15) ist.

8. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steuerkreis (19 a bis 19 d) als aktives Element (33 a bis 33 d) einen selbstsperrenden MOS-Fet, einen bipolaren Transistor oder einen Thyristor enthält, deren Gate- oder Basiselektrode den Steuereingang (22 a bis 22 d) bildet, deren Drain-, Emitter- oder Kathodenelektro­ de mit dem Barrierenausgang (4) verbunden ist und deren Source-, Kollektor- oder Anodenelektrode an einen Widerstand (34 a, 34 c) angeschlossen ist, der zwischen dem Stromversorgungseingang (21) und dem Steuereingang (18 a, 18 c) des Steuerkreises (18 a bis 19 d) liegt.

9. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Längssteuerglied (11 a, 11 c) ein bipolarer Transistor oder ein selbst­ sperrender MOS-Fet ist.

10. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Längssteuerglie­ der (11 a, 11 c) von einem ohmschen Widerstand (38) überbrückt ist bzw. sind.