PL221108B1 - Zespół ochronny iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zespół ochronny iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, zapewniający poziom bezpieczeństwa przeciwwybuchowego kategorii „ia” obwodów elektrycznych funkcjonujących w przestrzeniach zagrożonych wybuchem, na przykład w obecności gazów lub aerozoli cieczy palnych, zwłaszcza w obiektach przemysłu węglowego i petrochemicznego.

Z opisu patentowego PL 106542 znana jest bariera ochronna w postaci czwórnika zaopatrzonego w zaciski wejściowe dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i zaciski wyjściowe dla przyłączania iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego. Pomiędzy zaciski wejściowe i wyjściowe są włączone rezystory ograniczające prąd zwarcia i diody Zenera ograniczające wzrost napięcia na wejściu chronionego obwodu elektrycznego.

Rozwiązanie to cechuje się niską sprawnością elektryczną i niską wartością użytecznej mocy iskrobezpiecznej, która może być przekazana do obciążenia.

Z opisu patentowego PL 180574 znana jest 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 o jednym końcu połączonym 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 wejściowego oraz do katody diody prostowniczej. Katoda tyrystora związana jest z anodą diody prostowniczej, z ujemnym zaciskiem wejściowym i drugim końcem rezystora pomiarowego.

Wadą takiego rozwiązania jest zależność napięcia wyjściowego od pobieranego prądu wskutek spadku napięcia na rezystorze pomiarowym. Ponadto przy ochronie taką barierą obwodu elektrycznego o mocy powyżej 5 W, konieczne jest stosowanie zabezpieczającej przed wzrostem napięcia diody Zenera o dużej mocy instalowanej na radiatorze.

Z opisu patentowego PL 203051 znana jest 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.

Takie rozwiązanie bariery ochronnej cechuje się jednak wciąż niską czułością i również stosunkowo dużym spadkiem napięcia na rezystorze pomiarowym, zwłaszcza przy większych prądach zasilających.

Z opisów patentowych PL 203594 i PL 202522 oraz opisu wynalazku P 388049 znane są bariery i układy ochronne iskrobezpiecznych obwodów elektrycznych w postaci czwórnika zaopatrzonego w zaciski wejściowe dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i zaciski wyjściowe dla przyłączania iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, w których jako element wykonawczy, dokonujący separacji energetycznej między nieiskrobezpieczną a iskrobezpieczną częścią obwodu elektrycznego drogą zwarcia dodatniego i ujemnego biegunów zasilania, stosowany jest klucz elektroniczny w postaci tyrystora. Anoda tyrystora związana jest z dodatnim biegunem zasilania, a katoda z biegunem ujemnym. Wspólną cechą charakterystyczną wymienionych rozwiązań jest to, że pomiędzy pierwszy zacisk wejściowy i pierwszy zacisk wyjściowy włączony jest rezystor pomiarowy, na którym spadek napięcia powyżej ustalonego progu powoduje wysterowanie jednego z tyrystorów.

Obecność rezystora pomiarowego w ujemnej szynie zasilania powoduje ujemne skutki pod względem kompatybilności elektromagnetycznej aparatury elektronicznej ze wspólnym ujemnym biegunem zasilania.

Z opisu patentowego PL 205594 znany jest 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, w którym 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,

PL 221 108 B1 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. 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.

Z opisu patentowego PL 203051 znana jest bariera ochronna z nieliniową charakterystyką wyjściową, wykonana w postaci czwórnika z zaciskami wejściowymi dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i zaciskami wyjściowymi dla przyłączania iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego. Pomiędzy pierwszy zacisk wejściowy i pierwszy zacisk wyjściowy włączony jest rezystor pomiarowy. Drugi zacisk wejściowy poprzez bimetalowy bezpiecznik termiczny jest związany z anodami trzech tyrystorów, katodami trzech diod Zenera i z drugim zaciskiem wyjściowym. Katody wymienionych tyrystorów są wspólnie połączone z pierwszym zaciskiem wejściowym, a bramka pierwszego tyrystora jest związana z anodą pierwszej diody Zenera i poprzez pierwszy rezystor z pierwszym zaciskiem wyjściowym, bramka drugiego tyrystora jest związana z anodą drugiej diody Zenera i poprzez drugi rezystor z pierwszym zaciskiem wyjściowym, natomiast bramka trzeciego tyrystora jest związana z anodą trzeciej diody Zenera i poprzez trzeci rezystor z pierwszym zaciskiem wyjściowym.

Wadą takiego rozwiązania jest niska skuteczność przy zapewnianiu iskrobezpieczeństwa w trybie komutacji awaryjnej typu „rozwarcia” w chronionym obwodzie elektrycznym.

Z opisu patentowego US 5694293 znany jest układ ochronny iskrobezpiecznego zasilacza, zawierający rezystor pomiarowy włączony pomiędzy ujemnym zaciskiem wejściowym a ujemnym zaciskiem wyjściowym, jako czujnik prądu w chronionym obwodzie. Wartość prądu jest kontrolowana za pomocą trzech równolegle włączonych komparatorów, z których każdy dokonuje wysterowanie odpowiedniego klucza, dokonującego zwarcia dodatniego i ujemnego biegunów zasilania w przypadku wystąpienia awaryjnego zwarcia w obwodzie wyjściowym zasilacza.

Wadą tego rozwiązania jest niska niezawodność układu, ponieważ awaryjne zmniejszenie impedancji jednego z trzech komparatorów skutkuje zmniejszeniem czułości pozostałych, a obecność rezystora pomiarowego w ujemnej szynie zasilania powoduje ujemne skutki pod względem kompatybilności elektromagnetycznej aparatury elektronicznej ze wspólnym ujemnym biegunem zasilania.

W zespole ochronnym iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, zawierającym czwórnik z dwoma zaciskami wejściowymi dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i dwoma zaciskami wyjściowymi dla przyłączenia iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, według wynalazku, pierwszy zacisk wejściowy i pierwszy zacisk wyjściowy są związane między sobą poprzez szeregowo połączone rezystor pomiarowy i pierwszy klucz elektroniczny, natomiast drugi zacisk wejściowy i drugi zacisk wyjściowy są związane bezpośrednio, a równolegle do zacisków wejściowych jest podłączony układ ujemnego napięcia, natomiast do zacisków wyjściowych są podłączone drugi klucz elektroniczny i trzeci klucz elektroniczny oraz układ kontroli napięcia. Wyjście sterujące układu kontroli napięcia związane jest z wejściem sterującym trzeciego klucza elektronicznego, a wejście sterujące drugiego klucza elektronicznego jest związane z drugim wyjściem sterującym układu sterującego, którego pierwsze wyjście sterujące jest związane z wejściem sterującym pierwszego klucza elektronicznego, a wejście jest związane z wyjściem komparatora prądu, którego pierwsze wejście jest związane z jednym końcem rezystora pomiarowego, a drugie wejście jest związane z drugim końcem tego rezystora. Zaciski zasilania komparatora prądu i układu sterującego są wspólnie podłączone do układu ujemnego napięcia.

Zespół według wynalazku, zapewnia spełnienie wymagań iskrobezpieczeństwa w stosunku do obwodów elektrycznych kategorii M1. Włączenie pomiędzy dodatnim zaciskiem wejściowym a dodatnim zaciskiem wyjściowym rezystora pomiarowego i klucza elektronicznego powoduje odłączenie chronionego obwodu wyjściowego od zasilania po zadziałaniu klucza, zwierającego dodatni i ujemny biegun zasilania. Zadziałanie wymienionych kluczy następuje wskutek wygenerowania sygnału sterującego przez układ sterowania, który z kolei jest sterowany za pomocą komparatora prądu, kontrolującego natężenie prądu w chronionym iskrobezpiecznym obwodzie elektrycznym, poprzez pomiar spadku napięcia na rezystorze pomiarowym. Wprowadzony dodatkowo do struktury zespołu ochronnego

PL 221 108 B1 układ ujemnego napięcia do zasilania komparatora prądu i układu sterowania, umożliwia bardzo szybką reakcję zabezpieczenia nadprądowego według wymagań iskrobezpieczeństwa.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładowym wykonaniu na rysunku, przedstawiającym schemat wewnętrznych połączeń poszczególnych elementów zespołu ochronnego.

Zespół ochronny iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego ma dwa zaciski wejściowe 1, 2 dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i dwa zaciski wyjściowe 3, 4 dla przyłączania iskrobezpiecznej części chronionego obwodu elektrycznego. Pierwszy zacisk wejściowy 1 związany jest z pierwszym zaciskiem wyjściowym 3 poprzez rezystor pomiarowy 5 i pierwszy klucz elektroniczny 6, natomiast drugi zacisk wejściowy 2 oraz drugi zacisk wyjściowy 3 są związane bezpośrednio. Do zacisków wyjściowych 3, 4 są równolegle dołączone drugi klucz elektroniczny 7 i trzeci klucz elektroniczny 8 oraz układ 9 kontroli napięcia. Wyjście sterujące układu 9 kontroli napięcia jest związane z wejściem sterującym trzeciego klucza elektronicznego 8. Każdy z końców rezystora pomiarowego 5 jest związany z odpowiednim wejściem komparatora 10 prądu, którego wyjście jest związane z wejściem układu sterującego 11. Pierwsze wyjście układu sterującego 11 jest związane z wejściem sterującym pierwszego klucza elektronicznego 6, a jego drugie wyjście jest związane z wejściem sterującym drugiego klucza elektronicznego 7. Do zacisków wejściowych jest podłączony układ 12 ujemnego napięcia, którego wyjście jest związane z komparatorem 10 prądu i układem sterującym 11.

Zespół ochronny iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego działa w sposób następujący. W stanie normalnej pracy pierwszy klucz elektroniczny 6 znajduje się w stanie zwarcia, a drugi klucz elektroniczny 7 i trzeci klucz elektroniczny 8 w stanie rozwarcia. Prąd płynący przez rezystor pomiarowy 5 jest kontrolowany na bieżąco za pomocą komparatora 10 prądu. W przypadku, kiedy chroniony obwód elektryczny posiada parametry znamionowe, na zaciskach wyjściowych 3 i 4 ustawia się napięcie o wartości ustalonej. Przy powstaniu awaryjnego zwarcia w chronionym obwodzie elektrycznym lub w przypadku przekroczenia ustalonej wartości prądu na wyjściu sterującym komparatora 10 prądu pojawi się sygnał powodujący wysterowanie układu sterującego 11, co z kolei powoduje zadziałanie drugiego klucza elektronicznego 7 i zapewnia blokadę dostarczenia zasilania do chronionego obwodu elektrycznego poprzez zwarcie ujemnej i dodatniej szyny zasilającej. Zadziałanie drugiego klucza elektronicznego 7 powoduje wysterowanie pierwszego klucza elektronicznego 6, dokonującego rozwarcia obwodu zasilającego co zapewnia ochronę elementów elektronicznych zespołu ochronnego przed przeciążeniem w trybie awaryjnym. Układ 12 ujemnego napięcia zapewnia zasilanie komparatora 10 prądu i układu sterującego 11 ujemnym napięciem o niższej wartości w stosunku do wspólnego ujemnego bieguna zasilania. Wprowadzenie układu 12 ujemnego napięcia do struktury zespołu ochronnego dokonującego zasilania komparatora 10 prądu i układu sterującego 11 ujemnym napięciem o wartości poniżej wspólnego ujemnego bieguna zasilania umożliwia bardzo szybką reakcję zabezpieczenia nadprądowego według wymagań iskrobezpieczeństwa. Z kolei, układ 9 kontroli napięcia kontroluje napięcie wyjściowe i w chwili przekroczenia jego wartości powyżej ustalonej następuje wysterowanie trzeciego klucza elektronicznego 8, co zapewnia blokadę dostarczenia zasilania do chronionego obwodu elektrycznego poprzez zwarcie ujemnej i dodatniej szyny zasilającej.

Claims (1)

1. Zespół ochronny iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, zawierający czwórnik z dwoma zaciskami wejściowymi dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i dwoma zaciskami wyjściowymi dla przyłączenia iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, znamienny tym, że pierwszy zacisk wejściowy (1) i pierwszy zacisk wyjściowy (3) są związane między sobą poprzez szeregowo połączone rezystor pomiarowy (5) i pierwszy klucz elektroniczny (6), natomiast drugi zacisk wejściowy (2) i drugi zacisk wyjściowy (4) są związane bezpośrednio, a równolegle do zacisków wejściowych (1 i 2) jest podłączony układ (12) ujemnego napięcia, natomiast do zacisków wyjściowych (3 i 4) są podłączone drugi klucz elektroniczny (7) i trzeci klucz elektroniczny (8) oraz układ (9) kontroli napięcia, którego wyjście sterujące związane jest z wejściem sterującym trzeciego klucza elektronicznego (8), a wejście sterujące drugiego klucza elektronicznego (7) jest związane z drugim wyjściem sterującym układu sterującego (11), którego pierwsze wyjście sterujące jest związane z wejściem sterującym pierwszego klucza elektronicznego (6), a wejście jest związane z wyjściem komparatora (10) prądu, którego pierwsze wejście jest związane z jednym końcem rezystora pomiarowego (5), a drugie wejście jest związane z drugim końcem tego rezystora, przy czym zaciski zasilania komparatora (10) prądu i układu sterującego (11) są wspólnie podłączone do układu (12) ujemnego napięcia.