PL207673B1

PL207673B1 - Spark-safety barrier of a source of supply

Info

Publication number: PL207673B1
Application number: PL382660A
Authority: PL
Inventors: Wojciech Bochenek; Witalij Skoropacki; Adam Szade; Mariusz Szot
Original assignee: Główny Inst Górnictwa
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2011-01-31
Also published as: PL382660A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest bariera iskrobezpieczeństwa źródła zasilania, zapewniająca poziom bezpieczeństwa przeciwwybuchowego kategorii „i” elektrycznego obwodu wyjściowego tego źródła, dla zasilania urządzeń elektronicznych funkcjonujących 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 the intrinsically safe barrier of a power source, ensuring the level of explosion safety of the category "i" of the electrical output circuit of this source, for powering electronic devices 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 180574, 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. 180574, 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 - 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. Z kolei, według wymienionej normy wymagane jest potrajanie bariery ochronnej, co w tym przypadku związane jest obniżeniem wartości iskrobezpiecznej mocy, przekazywanej do obciążenia oraz ze zmniejszeniem stabilności napięcia wyjściowego. Istotną wadą takiego rozwiązania jest także 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 zabezpieczającej przed wzrostem napięcia diody Zenera 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 standard - Electrical devices in potentially explosive atmospheres. Intrinsically safe execution "i". The presence of two unprotected transistors is contrary to the requirements of this standard, as these transistors cannot be classified as non-damaged. In turn, according to the above-mentioned standard, it is required to triple the protective barrier, which in this case is related to the reduction of the intrinsically safe power transmitted to the load and the reduction of 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 barrier to protect the output circuit of an approximately 20 W intrinsically safe power supply, it is imperative to use a high power Zener diode installed on the heat sink to protect against voltage surge.

Znana jest również, na przykład z polskiego opisu patentowego nr 203051 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.It is also known, for example, from the Polish patent description No. 203051, a protective barrier with a measuring resistor, a triple thyristor as an actuator short-circuiting the power supply terminals of the protected circuit, with a triple Zener diode as an element of overvoltage protection and protection of semiconductor elements in an emergency with a fuse fusible link.

Ponadto znany jest, na przykład z polskiego opisu patentowego nr 205594, elektroniczny zespół ochronny iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, 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, e.g. from the Polish patent specification No. 205594, for an electronic protection unit of an intrinsically safe electric circuit, 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 input voltage reverse polarity protection circuit, the second input of which is associated with the second input terminal, the first output with positive polarity is associated with the first input of the smooth voltage shaper, and the second the output with negative polarization is connected with the second input of this circuit. 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 zabezpieczenie elementów półprzewodnikowych w stanie awaryjnym dokonuje się za pomocą bezpiecznika topikowego. Wykonanie iskrobezpieczne „ia” wymaga stosowania hermetyzacji w celu wykluczenia dostępu atmosfery wybuchowej do elementów i obwodów iskrobezpiecznych, w tym bezpieczników topikowych. Z tej przyczyny bezpiecznik topikowy, z reguły jest hermetyzowany za pomocą masy izolacyjnej, celem zapewnienia ochrony typu „ma według wymagań normy PN-EN-50028 - Urządzenia elektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem. Hermetyzacja masą izolacyjną „m”. Wymiana bezpiecznika jest uciążliwa,A common disadvantage of the above-mentioned solutions is that the protection of the semiconductor elements in the emergency state is performed with a fuse. The intrinsically safe "ia" design requires the use of hermetization in order to exclude the access of an explosive atmosphere to intrinsically safe elements and circuits, including fuses. For this reason, the melting fuse is usually hermetized with an insulating mass in order to ensure protection of the “ma type” according to the requirements of the PN-EN-50028 standard - Electrical devices in potentially explosive atmospheres. Encapsulation with "m" insulating mass. Replacing the fuse is troublesome,

PL 207 673 B1 ponieważ wymaga usunięcia masy izolującej w sposób mechaniczny i ponownej hermetyzacji po wymianie bezpiecznika. Z kolei zadziałanie układu zabezpieczenia nadprądowego lub nadnapięciowego może, na przykład, powstać wskutek pomyłki operatora lub w przypadku stosowania zabezpieczenia nadprądowego z wykorzystaniem pochodnej od wartości prądu, przy nagłej zmianie prądu obciążenia nawet w normowanym zakresie.It requires mechanical removal of the insulating mass and re-encapsulation after replacing the fuse. In turn, the tripping of the overcurrent or overvoltage protection system may, for example, occur as a result of operator error or in the case of an overcurrent protection using a derivative of the current value, with a sudden change in the load current even within the standard range.

W barierze iskrobezpieczeństwa źródła zasilania, wykonanej w postaci czwórnika, zawierającego zaciski wejściowe dla przyłączania źródła zasilania i zaciski wyjściowe dla przyłączania iskrobezpiecznego obwodu wyjściowego, w którym pierwszy zacisk wejściowy poprzez bezpiecznik topikowy związany jest z pierwszym wejściem układu zabezpieczenia przed zmianą polaryzacji wejściowego napięcia zasilania, drugi zacisk wejściowy jest związany bezpośrednio z drugim wejściem tego układu, a jego oba wyj ś cia zwią zane są z wejś ciami ukł adu kształ towania ł agodnego wzrostu napię cia, którego pierwsze wyjście tworzy szynę zasilającą o dodatniej polaryzacji, drugie wyjście tworzy szynę zasilającą o ujemnej polaryzacji, a obie szyny są zbocznikowane przez trzy identyczne równolegle połączone zwierające klucze elektroniczne, według wynalazku, szyna zasilająca o dodatniej polaryzacji związana jest z pierwszym wejściem czujnika prądu i napięcia, a szyna zasilająca o ujemnej polaryzacji związana jest z drugim wejściem tego czujnika, którego wyjścia tworzą zaciski wyjściowe bariery. Trzecie, sterujące wyjście czujnika prądu i napięcia jest związane z wejściem sterującym każdego ze zwierających kluczy elektronicznych, których wyjścia sterujące są związane z wejściem sterującym rozwierającego klucza elektronicznego, włączonego pomiędzy układem zabezpieczenia przed zmianą polaryzacji wejściowego napięcia a układem kształtowania łagodnego wzrostu napięcia. Zwierające klucze elektroniczne stanowią jednocześnie element wykonawczy dla nadprądowego i nadnapięciowego zabezpieczenia.In the intrinsically safe barrier of the power source, made in the form of a quadruple, containing input terminals for connecting the power source and output terminals for connecting the intrinsically safe output circuit, in which the first input terminal is connected through a fuse with the first input of the protection system against polarity change of the input supply voltage, the second the input terminal is connected directly to the second input of this system, and its both outputs are related to the inputs of the gentle voltage increase shaper, the first output of which forms a positive polarity power rail, the second output forms a negative power rail polarity, and both rails are bypassed by three identical parallel connected short-circuiting electronic keys, according to the invention, the positive polarity power bus is associated with the first input of the current and voltage sensor, and the negative polarity power bus is associated with the second input of this sensor, the outputs of which form the barrier output terminals. The third, control output of the current and voltage sensor is associated with the control input of each of the short-circuit electronic keys, the control outputs of which are associated with the control input of a break electronic key connected between the input voltage reverse polarity protection circuit and the voltage ramp shaper. Short-circuiting electronic keys are also an executive element for overcurrent and overvoltage protection.

Włączenie pomiędzy bezpiecznikiem topikowym a układem kształtowania łagodnego wzrostu napięcia klucza elektronicznego rozwierającego obwód wyjściowy źródła zasilania po zadziałaniu jednego z trzech zwierających kluczy elektronicznych oraz wykorzystanie tych kluczy jako wspólnego elementu wykonawczego w zabezpieczeniu nadprądowym i nadnapięciowym w barierze iskrobezpieczeństwa według wynalazku, usuwa powyższe wady i niedogodności, a ponadto zapewnia większe bezpieczeństwo funkcjonowania i dogodność eksploatacyjną.Connecting the electronic key between the fuse and the system of smooth voltage increase that opens the output circuit of the power source after the activation of one of the three short-circuiting electronic keys and the use of these keys as a common actuator in the overcurrent and overvoltage protection in the intrinsically safe barrier according to the invention removes the above drawbacks and inconveniences, and, moreover, it ensures greater operational safety and operational convenience.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładowym wykonaniu na rysunku, przedstawiającym schemat strukturalny bariery iskrobezpieczeństwa elektrochemicznego źródła zasilania.The subject of the invention is shown in the exemplary embodiment in the drawing showing the structural diagram of the intrinsic safety barrier of the electrochemical power source.

Bariera ochronna iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego jest wykonana w postaci czwórnika, zawierającego zaciski wejściowe 1, 2 dla przyłączania źródła zasilania 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 wejściem rozwierającego klucza elektronicznego 7, natomiast drugie wyjście o polaryzacji ujemnej związane jest z drugim wejściem tego klucza elektronicznego 7. Pierwsze wyjście wymienionego klucza elektronicznego 7 związane jest z pierwszym wejściem układu 8 kształtowania łagodnego wzrostu napięcia, a drugie wyjście tego klucza związane jest z drugim wejściem tego uk ładu 8. Pierwsze wyjście układu 8 kształtowania łagodnego wzrostu napięcia, tworzy szynę zasilającą o dodatniej polaryzacji i związane jest z pierwszym wejściem czujnika 9 prądu i napięcia, a jego drugie wyjście tworząc szynę zasilającą o ujemnej polaryzacji związane jest z drugim wejściem wymienionego czujnika 9. Pierwsze wyjście tego czujnika 9 związane jest z dodatnim zaciskiem wyjściowym 3 bariery, jego drugie wyjście związane jest z jej ujemnym zaciskiem wyjściowym 4, a trzecie, sterujące wyjście związane jest z każ dym z wejść sterują cych trzech identycznych równolegle połączonych zwierają cych kluczy elektronicznych 10, 11, 12. Klucze elektroniczne są włączone pomiędzy dodatnią i ujemną szyną zasilającą na wyjściu układu 8 kształtowania łagodnego wzrostu napięcia, a ich wyjścia sterujące są wspólne związane z wejściem sterującym rozwierającego klucza elektronicznego 7.The protective barrier of the intrinsically safe electric circuit is made in the form of a cross, including input terminals 1, 2 for connecting the power source 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 input voltage reverse protection circuit 6, the second input of which is associated with the second input terminal 2, and the first positive output is associated with the first input of the opening electronic key. 7, while the second output with negative polarity is related to the second input of this electronic key 7. The first output of said electronic key 7 is related to the first input of the smooth shaper 8, and the second output of this key is related to the second input of this electronic key 8. The first output of the smooth voltage shaper 8 forms a positive polarity power bus and is related to the first input of the current and voltage sensor 9, and its second output to form a negative polarity power bus is related to the second input of said sensor 9. The first output of this sensor 9 is related to the positive output terminal 3 of the barrier, its second output is related to its negative output terminal 4, and the third, control output is related to each of the control inputs of three identical parallel connected short-circuiting electronic keys 10. , 11, 12. The electronic keys are connected between the positive and negative power bus at the output of the smooth ramp shaper 8, and their control outputs are common to the control input of the opening electronic key 7.

Bariera iskrobezpieczeństwa źródła zasilania działa w sposób następujący. W stanie normalnej pracy rozwierający klucz elektroniczny 7 znajduje się w stanie zwarcia, a zwierające klucze elektroniczne 10, 11 i 12 w stanie rozwarcia. Przy podłączeniu napięcia do zacisków wejściowych 1 i 2 o odpowiedniej polaryzacji, na wyjś ciu ukł adu 8 kształ towania ł agodnego wzrostu napię cia, napię cie zacznie wzrastać do ustalonej wartości wejściowej. W przypadku, kiedy chroniony obwód elektryczny posiada parametry znamionowe, na zaciskach wyjściowych 3 i 4 bariery iskrobezpieczeństwa ustawia się napięcie równe wartości wejściowej oraz prąd o ustalonym natężeniu. Przy powstaniu zwarciaThe power source intrinsically safe barrier works as follows. In the normal operating state, the opening electronic key 7 is in the short-circuited state, and the short-circuiting electronic keys 10, 11 and 12 are in the open state. When voltage is applied to the input terminals 1 and 2 with appropriate polarity, at the output of the gentle voltage increase shaping circuit 8, the voltage will start to increase to the set input value. In the case when the protected electric circuit has rated parameters, voltage equal to the input value and a current of a predetermined intensity are set on the output terminals 3 and 4 of the intrinsically safe barrier. In the event of a short circuit

PL 207 673 B1 w chronionym obwodzie wyjściowym lub w przypadku przekroczenia ustalonej wartości napię cia na jego wejściu, na wyjściu sterującym czujnika 9 pojawi się sygnał, który powoduje zadziałanie jednego ze zwierających kluczy elektronicznych 10, 11, 12 co zapewnia blokadę dostarczenia zasilania do uszkodzonego obwodu wyjściowego poprzez zwarcie ujemnej i dodatniej szyny zasilającej. Zadziałanie jednego z tych kluczy powoduje z kolei wysterowanie rozwierającego klucza elektronicznego 7, dokonującego rozwarcia obwodu zasilającego, co zapewnia blokadę przedwczesnego przetopienia się bezpiecznika topikowego 5.In the protected output circuit or in the event of exceeding the set voltage value at its input, a signal appears on the control output of the sensor 9, which causes the activation of one of the short-circuiting electronic keys 10, 11, 12, which prevents the supply of power to the damaged circuit output by shorting the negative and positive power bus. Activation of one of these keys, in turn, activates the opening electronic key 7, which opens the power circuit, which prevents premature melting of the fuse 5.

Claims

1. The intrinsically safe barrier of the power source, made in the form of a cross, containing input terminals for connecting this source and output terminals for connecting the intrinsically safe output circuit, in which the first input terminal is connected through a fuse to the first input of the protection system against polarity change of the input supply voltage, the second input terminal is directly related to the second input of this circuit, and its two outputs are associated with the inputs of the smooth voltage shaper, the first output of which forms a positive polarity power bus, the second output forms a negative polarity power bus, and both buses are bypassed by three identical parallel short-circuiting electronic keys, characterized in that the positive polarity power rail is associated with the first input of the current and voltage sensor (9), and the negative polarity power rail is associated with the second input This sensor (9), the outputs of which form the barrier's output terminals (3, 4), and the third, control output is associated with the control input of each of the short-circuiting electronic keys (10, 11, 12), the control outputs of which are associated with the control input an opening electronic key (7) connected between the input voltage reverse polarity protection circuit (6) and the smooth voltage rise shaping circuit (8).

2. The barrier according to claim 1 Device according to claim 1, characterized in that the short-circuiting electronic keys (10, 11, 12) simultaneously constitute a common actuator for overcurrent and overvoltage protection.