VERFAHREN ZUR VERWENDUNG EINER STROMKOMPENSIERTEN

4-PHASEN-DROSSEL IM EIGENSICHEREN STROMKREIS UND DROSSEL

In explosionsgefährdeten Bereichen werden für Aufgaben der Mess- und Regeltechnik elektrische bzw. elektronische Geräte in der Zündschutzart Eigensicherheit (abgekürzt Ex-i, eng ^¬ lisch: intrinsic safety) eingesetzt. In diesen Geräten werden die Stromstärke und die Spannung auf Werte begrenzt, die eine Entzündung von explosionsfähigen Brennstoff-Luft-Gemischen sowohl durch Funken als auch durch Erwärmung nicht ermöglichen .

In solchen Stromkreisen sind Energiespeicher wie z. B. Kon- densatoren nur innerhalb gewisser Grenzen zulässig. In Stromkreisen, die mit der Zündschutzart Eigensicherheit explosi ^¬ onsgeschützt sind, stellen auch Induktivitäten einen nur begrenzt zulässigen Energiespeicher dar. In Abhängigkeit des im Fehlerfall anzunehmenden Kurzschlussstroms muss die in der Spule gespeicherte Energie auf einige uJ (Wert je nach Gas ^¬ gruppe) beschränkt werden.

Gleichzeitig sind Stromkreise mit hohen Anforderungen bezüg ^¬ lich elektromagnetischer Verträglichkeit belegt. Die Verwendung von Spulen als Filterelemente ist häufig die einzige Möglichkeit, die Konformitätstests zu bestehen. Bei der funktionellen Verwendung von Gegentakt-Signalen oder - Strömen kommen hier primär stromkompensierte Drosseln zum Einsatz. Durch die gleichgerichtete Wicklung von Spulen in Hin- und Rückleiter auf demselben Ferritkern sind diese für Signal und Versorgung nicht wirksam und nur bei der Anregung im Gleichtakt mit einer Induktivität belegt. Störströme tre ^¬ ten immer im Gleichtakt auf. Aus beiden Anforderungen ergibt sich ein Spannungsfeld. Es muss ein Kompromiss zwischen Größe der Induktivität und der Störempfindlichkeit gefunden werden. Insbesondere bei mehr als 2 Leitern in einem Kabel kann das schon unmöglich sein. Da Kurzschlüsse aufgrund der mechanisch oder funktionell ge ^¬ gebenen Abstände häufig nicht ausgeschlossen werden können, muss nach Explosionsschutz-Anforderungen eine beliebige Serienschaltung von Induktivitäten angenommen werden. Die Ver- bindung würde unter der geforderten Fehlerannahme bei der notwendigen Induktivität keinen eigensicheren Stromkreis darstellen .

Die häufigste Methode zur konformen Verwendung einer größeren Induktivität im eigensicheren Stromkreis ist die Parallel ^¬ schaltung einer (redundant ausgelegten) Diode. Dadurch kann über der Drossel keine Spannung entstehen, somit kann die Drossel auch nicht als Stromquelle wirken. Diese Methode ist nur dann möglich, wenn die eigentliche Funktion dabei nicht zerstört wird. So ist eine Verwendung im Stromversorgungs ^¬ kreis eines Schaltreglers durchaus möglich, die „Löschung" einer stromkompensierten Drossel mit Dioden führt hingegen zum Ausfall der eigentlichen Filterfunktion. Die Störung nimmt einfach den parallelweg über die Diode.

Bei stromkompensierten Drosseln besteht allerdings die Mög ^¬ lichkeit, die Betrachtung aus Sicht des Explosionsschutzes zu ändern. Durch Abstände können einige Kurzschlüsse ausge ^¬ schlossen werden. Die stromkompensierte Drossel wird somit auch in jedem anzunehmenden Fehlerfall nur im Gegentakt betrieben. Eine Berücksichtigung der Induktivität für die Betrachtung der Eigensicherheit ist somit nicht nötig.

Sind mehr als zwei Leiter innerhalb eines Kabels nicht sicher trennbar, ist dies nicht mehr möglich. Bei beispielsweise zwei nicht sicher getrennten Stromkreisen, also vier Leitern, ist die Verwendung von zwei stromkompensierten Spulen zwar noch entstörtechnisch sinnvoll, bezüglich der Eigensicherheit ist die Induktivität aber nicht mehr vernachlässigbar. Bei entsprechendem Kurzschluss sind beide stromkompensierte Dros ^¬ seln im Gleichtakt betrieben, die volle Induktivität ist wirksam . Es ist Aufgabe der Erfindung, die beschriebenen Probleme zu lösen .

Der magnetische Fluss bemisst sich als Produkt aus Induktivi- tat und Spulenstrom:

Ψ = 1*1

Bei der Stromkompensierten Drossel sind die beiden Spulen auf dem gleichen Ringkern mit gleicher Wicklungsrichtung aufge- bracht, so dass sich bei Strömen im Gleichtakt (Common Mode CM) die magnetischen Flüsse addieren

Ψ = Li * + Li * h = Li * /CM + Li * /CM

Figur 1 zeigt eine stromkompensierte Drossel im Common Mode.

Gleichzeitig ist im Falle des Gegentakts (Differential Mode DM) kein wirksamer Stromfluss gegeben:

Ψ = Li* + Li* h = Li* /DM— LI* /DM = 0 Figur 2 zeigt im Vergleich eine stromkompensierte Drossel im Differential Mode.

Wickelt man nun analog 4 Spulen auf den gleichen Ringkern, entsteht das im Folgenden gezeigte elektrische Element gemäß Figur 3, eine stromkompensierte 4-Phasen-Drossel .

Alle 4 Spulen sind mit gleicher Wicklungsrichtung auf dem Ringkern aufgebracht. Bei Strömen im Gleichtakt addieren sich auch hier die magnetischen Flüsse

Ψ = Li * h + Li* h + L ₃ * /3 + * U

Es ergibt sich erwartungsgemäß eine Unsichtbarkeit der

Induktivitäten, bei symmetrischen Gegentakt-Strömen wie in der Figur 4, Differential Mode bei der stromkompensierten 4- Phasendrossel , dargestellt.

Ψ = Li * + L ₂ * / ₂ + L ₃ * / ₃ + L * h = Li* /DM + L2 * /DM— L ₃ * /DM— L ₄ * /DM

= 0 In Figur 5 ist eine asymmetrische Anregung der stromkompensierten 4-Phasendrossel gezeigt, wie sie in der Betrachtung zur Eigensicherheit angenommen werden muss.

Dabei ergibt sich ein magnetischer Fluss nach folgender Formel :

Ψ = Li * /1 + L ₂ * h + L ₃ * /3 + L ₄ * h

= Li * /asym+ + L ₂ * /asym+ + L ₃ * /asym+ L ₄ * /asym- ⁼ 0

Auch hier ist die Summe der Ströme gleich Null, damit ist der magnetische Fluss ebenfalls Null. Auch eine asymmetrische Ge ^¬ gentakt-Verwendung führt also zum gleichen Ergebnis.

1 1 1

Ψ = Li * /1 + L ₂ * h + L ₃ * /3 + L ₄ * = Li *-/ + Li *-/ + L ₃ *- / - L ₄ * / = 0

Die Wicklung von zwei stromkompensierten Drosseln auf den gleichen Ringkern führt dazu, dass in keinem anzunehmenden Fehlerfall (bei entsprechender Auslegung der Abstände) eine Verwendung im Gleichtakt stattfindet. Die Spule kann aus

Sicht des Explosionsschutzes keine Energie speichern und ist somit nicht als wirksamer Energiespeicher anzusehen. Es bleibt in der Berücksichtigung nur die wesentlich geringere Streuinduktivität .

Somit ist beispielsweise bei einer eigensicheren Verbindung von zwei Leitungspaaren die aus dem gleichen Schaltkreis gespeist werden, eine Verwendung einer stromkompensierten Drossel überhaupt erst möglich, beispielsweise als eigensichere Ausführung einer Ethernet-Verbindung . Hier kommen zwei oder mehr Leitungspaare aus demselben integrierten Schaltkreis. Aufgrund dessen können die Leitungspaare nicht durch mechani- sehe oder elektrische Maßnahmen sicher getrennt werden, sie haben die gleiche Quelle. Da ein Trafo, wie er gewöhnlich in der Ethernet-Technik eingesetzt wird, aus Sicht des

Explosionschutzes kaum verwendbar ist, muss als Element zur Gleichtaktdämpfung eine Stromkompensierte Drossel eingesetzt werden .

Die Induktivität würde keine eigensichere Verbindung zulas ^¬ sen. Es müsste auf eine andere Schutzart ausgewichen werden (z.B. Ex-e) was zumeist höhere Aufwände zur Verlegung nach sich zieht. Durch das Wickeln beider Stromkompensierter Drosseln (eine pro Leitungspaar) kann die Induktivität vernachlässigt werden.