PL205594B1

PL205594B1 - Electronic safety device for the spark proof electric circuit

Info

Publication number: PL205594B1
Application number: PL378943A
Authority: PL
Inventors: Witalij Skoropacki; Adam Lipowczan; Bolesław Meinhardt
Original assignee: G & Lstrok Owny Inst Gornictwa
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2010-05-31
Also published as: PL378943A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest elektroniczny zespół ochronny iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, funkcjonującego w przestrzeniach zagrożonych wybuchem, to znaczy w obecności gazów lub par cieczy palnych, zwłaszcza w obiektach przemysłu węglowego i petrochemicznego.The subject of the invention is an electronic protection unit of an intrinsically safe electric circuit operating in potentially explosive atmospheres, i.e. in the presence of flammable gases or vapors, especially in coal and petrochemical industry facilities.

Znana jest, na przykład z polskiego opisu patentowego nr 180 574, bariera ochronna w postaci czwórnika zaopatrzonego w zaciski wejściowe dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i zaciski wyjściowe dla przyłączania iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, pomiędzy które jest włączona dioda Zenera. Pomiędzy pierwszy zacisk wejściowy i pierwszy zacisk wyjściowy jest włączony rezystor pomiarowy, którego jeden koniec jest połączony z emiterem pierwszego p-n-p tranzystora, którego baza jest dołączona do kolektora drugiego n-p-n tranzystora. Kolektor pierwszego tranzystora związany jest z bazą drugiego tranzystora, którego emiter jest połączony z bramką tyrystora o anodzie dołączonej do dodatniego zacisku wejś ciowego oraz do katody diody prostowniczej. Katoda tyrystora związana jest z anodą diody prostowniczej, z ujemnym zaciskiem wejściowym i drugim końcem rezystora pomiarowego.It is known, for example, from the Polish patent specification No. 180 574, a protective barrier in the form of a cross with input terminals for connecting a non-intrinsically safe part of an electric circuit and output terminals for connecting an intrinsically safe electric circuit, between which a zener diode is connected. A measuring resistor is connected between the first input terminal and the first output terminal, one end of which is connected to the emitter of the first p-n-p transistor, the base of which is connected to the collector of the second n-p-n transistor. The collector of the first transistor is connected to the base of the second transistor, the emitter of which is connected to the gate of the thyristor with anode connected to the positive input terminal and to the cathode of the rectifying diode. The thyristor cathode is associated with the anode of the rectifier diode, with the negative input terminal and the other end of the measuring resistor.

Wadą takiego rozwiązania jest niska niezawodność układu i niespełnienie wymagań normy PN-EN-50020/2002 - Urządzenia elektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem. Wykonanie iskrobezpieczne i. Obecność dwóch niezabezpieczonych tranzystorów jest sprzeczna z wymaganiami tej normy, ponieważ te tranzystory nie mogą być zakwalifikowane jako elementy nieuszkadzalne. Ponadto według wymienionej normy wymagane jest potrajanie bariery ochronnej, co w tym przypadku wiązało by się z obniżeniem wartości iskrobezpiecznej mocy przekazywanej do obciążenia oraz ze zmniejszeniem stabilności wyjściowego napięcia. Istotną wadą takiego rozwiązania jest również przegrzewanie tyrystora w stanie zwarcia. Oprócz tego, przy stosowaniu takiej bariery ochronnej do zabezpieczenia obwodu wyjściowego zasilacza iskrobezpiecznego o mocy około 20 W, konieczne jest stosowanie diody Zenera, zabezpieczającej przed wzrostem napięcia, o dużej mocy instalowanej na radiatorze.The disadvantage of this solution is the low reliability of the system and failure to meet the requirements of the PN-EN-50020/2002 standard - Electrical devices in potentially explosive atmospheres. Intrinsically safe design i. The presence of two unprotected transistors is against the requirements of this standard, as these transistors cannot be classified as non-destructible. Moreover, according to the aforementioned standard, it is required to triple the protective barrier, which in this case would involve a decrease in the value of intrinsically safe power transmitted to the load and a decrease in the stability of the output voltage. A significant disadvantage of such a solution is also overheating of the thyristor in the short-circuit state. In addition, when using such a protective barrier to protect the output circuit of an intrinsically safe power supply with a power of about 20 W, it is necessary to use a high-power Zener diode to protect against voltage surge, installed on the heat sink.

Znana jest również, na przykład z polskiego opisu patentowego nr 203 051 bariera ochronna z rezystorem pomiarowym, potrojonym tyrystorem jako elementem wykonawczym dokonującym zwarcia zacisków zasilania chronionego obwodu, z potrójną diodą Zenera, jako elementem zabezpieczenia nadnapięciowego oraz z zabezpieczeniem elementów półprzewodnikowych w stanie awaryjnym za pomocą bezpiecznika topikowego, eliminująca wymienione wady.It is also known, for example, from Polish patent specification No. 203 051, a protective barrier with a measuring resistor, a triple thyristor as an actuator that short-circuits the supply terminals of the protected circuit, with a triple Zener diode as an element of overvoltage protection and with protection of semiconductor elements in an emergency state with fuse, eliminating the above-mentioned disadvantages.

Takie rozwiązanie bariery ochronnej cechuje się jednak wciąż niską czułością i stosunkowo dużym spadkiem napięcia na rezystorze pomiarowym, zwłaszcza przy większych prądach zasilających.Such a solution of the protective barrier, however, is still characterized by low sensitivity and a relatively large voltage drop across the measuring resistor, especially at higher supply currents.

Ponadto znany jest, na przykład z polskiego opisu zgłoszenia patentowego nr 378 105 zespół ochronny iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego o parametrach rozłożonych, wykonany w postaci czwórnika, zawierający zaciski wejściowe dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i zaciski wyjściowe dla przyłączania iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego. Pierwszy zacisk wejściowy, poprzez bezpiecznik topikowy, związany jest z pierwszym wejściem układu zabezpieczenia przed zmianą polaryzacji wejściowego napięcia zasilania, którego drugie wejście jest związane z drugim zaciskiem wejściowym. Pierwsze wyjście o polaryzacji dodatniej związane jest z pierwszym wejściem układu kształtowania łagodnego wzrostu napięcia, a drugie wyjście o polaryzacji ujemnej związane jest z drugim wejściem tego układu. Pierwsze wyjście, wspólnie z pierwszym zaciskiem wyjściowym, tworzą szynę zasilającą o dodatniej polaryzacji, a pierwsze i drugie wyjście są związane poprzez potrojony klucz zwierający. Pierwszy i drugi zacisk wyjściowy są zbocznikowane za pomocą potrojonego układu zabezpieczenia nadnapięciowego. Drugie wyjście układu kształtowania łagodnego wzrostu napięcia, poprzez szeregowo połączone pierwotne uzwojenie transformatora i rezystor pomiarowy, jest związane z drugim zaciskiem wyjściowym, a wtórne uzwojenie tego transformatora podłączone jest do wejścia prostownika, którego dodatni biegun wejściowy podłączony jest do wejść sterujących potrojonego klucza zwierającego, a ujemny biegun wyjściowy podłączony jest do drugiego wyjścia układu kształtowania łagodnego wzrostu napięcia.Moreover, it is known, for example, from the Polish patent application No. 378 105, for an intrinsically safe electric circuit with distributed parameters, a protection unit made in the form of a cross, containing input terminals for connecting a non-intrinsically safe part of the electric circuit and output terminals for connecting the intrinsically safe electric circuit. The first input terminal, through a fuse, is associated with the first input of the reverse polarity protection of the input supply voltage, the second input of which is associated with the second input terminal. The first output with positive polarity is related to the first input of the smooth voltage shaper, and the second output with negative polarity is related to the second input of the shaper. The first output, together with the first output terminal, form a positive polarity power rail, and the first and second outputs are associated with a triple short-circuit key. The first and second output terminals are bypassed by a triple overvoltage protection circuit. The second output of the smooth voltage shaper, through the series-connected primary winding of the transformer and the measuring resistor, is connected to the second output terminal, and the secondary winding of this transformer is connected to the rectifier input, the positive input of which is connected to the control inputs of the triple short-circuit key, and the negative output pole is connected to the second output of the SGSh shaper.

Wspólną wadą wyżej wymienionych rozwiązań jest to, że nie zapewniają one iskrobezpieczeństwa obwodu elektrycznego przy spadku napięcia wejściowego poniżej IV. Przy dużych, pod względem iskrobezpieczeństwa, prądach zasilających opornik pomiarowy w każdej z tych barier posiada małą wartość, na przykład przy prądzie wyjściowym 2A wartość rezystora pomiarowego mieści się w zakresie 0,25-0,35Ω. Przy napięciu na wejściu zespołu ochronnego poniżej IV tyrystory ochronne, zwierające biegun dodatni i ujemny zasilania, nie mogą dokonać zwarcia zasilania, zwłaszcza przy ujemnej temperaturze pracy. Ponadto powstaje tryb pracy, dla którego prąd wyjściowy w obwodzieA common disadvantage of the above-mentioned solutions is that they do not ensure intrinsic safety of the electric circuit when the input voltage drops below IV. At high, in terms of intrinsically safe, currents supplying the measuring resistor in each of these barriers has a low value, for example, at the output current of 2A, the value of the measuring resistor is in the range of 0.25-0.35 Ω. With the voltage at the input of the protective unit below IV, the protective thyristors, shorting the positive and negative pole of the power supply, cannot short-circuit the power supply, especially at negative operating temperature. In addition, an operating mode arises for which the output current in the circuit

PL 205 594 B1 chronionym jest ograniczony tylko rezystorem pomiarowym tyrystorowego układu zabezpieczenia nadprądowego, a przy tym prąd wyjściowy może przewyższać, pod względem iskrobezpieczeństwa, wartość dopuszczalną.The protected voltage is limited only by the measuring resistor of the thyristor overcurrent protection system, and at the same time the output current may exceed the permissible value in terms of intrinsic safety.

W elektronicznym zespole ochronnym iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, wykonanym w postaci czwórnika, zawierającym zaciski wejściowe dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i zaciski wyjściowe dla przyłączania iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, w którym pierwszy zacisk wejś ciowy, poprzez bezpiecznik topikowy, zwią zany jest z pierwszym wejściem układu zabezpieczenia przed zmianą polaryzacji wejściowego napięcia zasilania, którego drugie wejście jest związane z drugim zaciskiem wejściowym, pierwsze wyjście o polaryzacji dodatniej związane jest z pierwszym wejściem układu kształtowania łagodnego wzrostu napięcia, a drugie wyjście o polaryzacji ujemnej związane jest z drugim wejściem tego układu, którego pierwsze wyjście, wspólnie z pierwszym zaciskiem wyjściowym, tworzą szynę zasilającą o dodatniej polaryzacji, a pierwsze i drugie wyjście są związane poprzez potrojony klucz zwierający oraz w którym pierwszy i drugi zacisk wyjściowy są zbocznikowane za pomocą potrojonego układu zabezpieczenia nadnapięciowego, według wynalazku, szyna zasilająca o dodatniej polaryzacji pomiędzy punktem podłączenia potrojonego klucza zwierającego a punktem podłączenia potrojonego układu zabezpieczenia nadnapięciowego jest rozdzielona za pomocą potrojonej diody prostowniczej, włączonej w kierunku przewodzenia.In the electronic protection unit of the intrinsically safe electric circuit, made in the form of a cross, containing input terminals for connecting the non-intrinsically safe part of the electric circuit and output terminals for connecting the intrinsically safe electric circuit, in which the first input terminal, through a fuse, is connected to the first input of the protection system. before changing the polarity of the input supply voltage, the second input of which is associated with the second input terminal, the first output with positive polarity is related to the first input of the smooth voltage shaper, and the second output with negative polarity is related to the second input of this circuit, the first output of which is , together with the first output terminal, form a positive polarity power rail, and the first and second outputs are bound by a triple short-circuit key, and wherein the first and second output terminals are bypassed by p By means of the triple overvoltage protection circuit according to the invention, the positive polarity power bus between the triple short-circuit key connection point and the triple overvoltage protection circuit connection point is separated by a triple rectifier diode, switched in forward direction.

Zespół ochronny według wynalazku usuwa powyższe wady i niedogodności, a ponadto zapewnia większe bezpieczeństwo funkcjonowania oraz większą wartość iskrobezpiecznej mocy przekazywanej do obciążenia.The protective assembly according to the invention eliminates the above drawbacks and inconveniences, and also provides greater operational safety and a higher value of intrinsically safe power transmitted to the load.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładowym wykonaniu na rysunku, przedstawiającym schemat strukturalny zespołu ochronnego iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego o parametrach rozłożonych.The subject of the invention is presented in an exemplary embodiment in the drawing, showing the structural diagram of the protective unit of an intrinsically safe electric circuit with distributed parameters.

Elektroniczny zespół ochronny iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, wykonany w postaci czwórnika, zawiera zaciski wejściowe 1, 2 dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i zaciski wyjściowe 3, 4 dla przyłączania iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego. Pierwszy zacisk wejściowy 1, poprzez bezpiecznik topikowy 5, związany jest z pierwszym wejściem układu 6 zabezpieczenia przed zmianą polaryzacji wejściowego napięcia zasilania, którego drugie wejście jest związane z drugim zaciskiem wejściowym 2, a pierwsze wyjście o polaryzacji dodatniej związane jest z pierwszym wejś ciem ukł adu 7 kształ towania ł agodnego wzrostu napię cia, natomiast drugie wyjś cie o polaryzacji ujemnej zwią zane jest z drugim wejś ciem tego ukł adu 7. Pierwsze wyjś cie ukł adu 7 kształtowania łagodnego wzrostu napięcia, poprzez potrojoną diodę prostowniczą Schottkyego 8, 9 i 10 związane jest z pierwszym zaciskiem wyjściowym 3, tworząc szynę zasilającą o dodatniej polaryzacji, a jego drugie wyjście, poprzez rezystor pomiarowy 11, jest związane z drugim zaciskiem wyjściowym 4. Pierwsze i drugie wyjście układu 7 kształtowania łagodnego wzrostu napięcia są związane poprzez potrojony klucz zwierający 12, 13 i 14, a dodatni i ujemny zacisk wyjściowy 3, 4 są związane poprzez potrojony układ 15, 16 i 17 zabezpieczenia nadnapięciowego. Wejścia sterujące potrojonego klucza zwierającego 12, 13 i 14 związane są z drugim zaciskiem wyjściowym 4.The electronic protection unit of the intrinsically safe electric circuit, made in the form of a cross, includes input terminals 1, 2 for connecting the non-intrinsically safe part of the electric circuit and output terminals 3, 4 for connecting the intrinsically safe electric circuit. The first input terminal 1, through a safety fuse 5, is associated with the first input of the protection circuit 6 against polarity reversal of the input supply voltage, the second input of which is associated with the second input terminal 2, and the first output with positive polarity is associated with the first input of the circuit. 7 smooth voltage rise, while the second output with negative polarity is related to the second input of this circuit is with the first output terminal 3, forming a positive polarity power rail, and its second output, via a measuring resistor 11, is associated with the second output terminal 4. The first and second outputs of the smooth ramp shaper 7 are linked via a triple short-circuit key 12, 13 and 14, and the positive and negative output terminal 3, 4 are related after by triple circuit 15, 16 and 17 of overvoltage protection. The control inputs of the triple short-circuiting key 12, 13 and 14 are related to the second output terminal 4.

Zespół ochronny iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego działa w sposób następujący. Przy podłączeniu napięcia do zacisków wejściowych 1 i 2 o odpowiedniej polaryzacji na wyjściu układu 7 kształtowania łagodnego wzrostu napięcia, napięcie zacznie wzrastać do wartości wejściowej. W przypadku obecności zwarcia w obwodzie chronionym spadek napięcia na rezystorze pomiarowym 11 powoduje zadziałanie jednego z wymienionych kluczy, co zapewnia blokadę dostarczenia zasilania do uszkodzonego obwodu elektrycznego. W przypadku, kiedy chroniony obwód elektryczny posiada parametry znamionowe, na zaciskach wyjściowych 3 i 4 zespołu ochronnego ustawia się napięcie równe wartości wejściowej oraz prąd o ustalonym natężeniu. Przy powstaniu zwarcia w chronionym obwodzie spadek napięcia na rezystorze pomiarowym 11 przekroczy ustaloną wartość, co powoduje szybkie wysterowanie jednego z wymienionych tyrystorów. Załączenie jednego z tyrystorów powoduje zwarcie zacisków wejściowych 1 i 2, a tym samym odcięcie dopływu prądu do części iskrobezpiecznej obwodu elektrycznego. Przed zwiększeniem napięcia wyjściowego powyżej wartości ustalonej chroni potrojony układ 15, 16 i 17 zabezpieczenia nadnapięciowego. W przypadku spadku napięcia wyjściowego poniżej wartości IV, prąd wyjściowy będzie ograniczany do wartości iskrobezpiecznej dzięki nieliniowej charakterystyce napięciowo-prądowej potrojonej diody prostowniczej Schottkyego 8, 9 i 10.The protection unit of the intrinsically safe electric circuit works as follows. When applying voltage to the input terminals 1 and 2 with the appropriate polarity at the output of the smooth voltage shaper 7, the voltage will start to increase to the input value. In the case of a short circuit in the protected circuit, the voltage drop across the measuring resistor 11 causes the activation of one of the mentioned keys, which prevents the supply of power to the damaged electric circuit. In the case when the protected electric circuit has rated parameters, the voltage equal to the input value and the current with a predetermined intensity are set on the output terminals 3 and 4 of the protective unit. When a short-circuit occurs in the protected circuit, the voltage drop across the measuring resistor 11 exceeds the set value, which causes a quick activation of one of the thyristors mentioned. Switching on one of the thyristors causes a short-circuit of the input terminals 1 and 2, thus cutting off the power supply to the intrinsically safe part of the electric circuit. The triple circuit 15, 16 and 17 of the overvoltage protection protects against increasing the output voltage above a predetermined value. If the output voltage drops below the IV value, the output current will be limited to an intrinsically safe value thanks to the non-linear voltage-current characteristic of the triple rectifier Schottky diode 8, 9 and 10.

Claims

Patent claim

Electronic protection unit of the intrinsically safe electric circuit, made in the form of a cross, containing input terminals for connecting the non-intrinsically safe part of the electric circuit and output terminals for connecting the intrinsically safe electric circuit, in which the first input terminal is connected with the first input of the protection system against polarity reversal of the input voltage through a fuse. power supply, the second input of which is related to the second input terminal, the first output with positive polarity is related to the first input of the smooth voltage shaper, and the second output with negative polarity is related to the second input of this circuit, the first output of which is together with the first output terminal, they form a power supply rail with positive polarity, the second output through the measuring resistor is associated with the second output terminal, and the first and second outputs are associated with a triple key short-circuiting and in which the first and second output terminals are bypassed by a triple overvoltage protection circuit, characterized in that the positive polarity power rail between the triple short-circuit key connection point and the triple overvoltage protection circuit connection point is separated by a triple rectifying diode (8, 9 and 10), turned on in the forward direction.