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Patent Searching and Data


Title:
INTRINSICALLY SAFE CIRCUIT ARRANGEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/019503
Kind Code:
A1
Abstract:
Intrinsically safe circuit arrangement (1) for supplying a load (9) with a maximum power requirement (PLast), comprising: a voltage source (2); a voltage monitor (3) for limiting an output voltage to a maximum output voltage value; a current limitation resistor (5) for limiting an output current (IOut) to a maximum output current value (Imax); an active controlled current limitation circuit (4) for limiting the output current (IOut) to a current limitation value (ILim), wherein the current limitation circuit (4) is designed in such a manner that said circuit controls at least the output current (IOut) to the current limitation value (lLim) on the basis of a voltage drop across at least one part of the current limitation circuit (4) if a load of the circuit arrangement is above the nominal load, with the result that the current limitation value (ILim) is adapted, preferably on the basis of a predetermined characteristic value, and the output current (IOut) is therefore also adapted.

Inventors:
KOCH BERNHARD (DE)
LALLA ROBERT (DE)
Application Number:
PCT/EP2017/065695
Publication Date:
February 01, 2018
Filing Date:
June 26, 2017
Export Citation:
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Assignee:
ENDRESS+HAUSER FLOWTEC AG (CH)
International Classes:
H02H9/00; G05F1/573
Foreign References:
US4438473A1984-03-20
DE20010283U12001-07-19
EP2779346A22014-09-17
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
ANDRES, Angelika (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Eigensichere Schaltungsanordnung (1 ) zur Versorgung eines Verbrauchers (9) mit einem maximalen Leistungsbedarf (P|_ast) umfassend:

eine Spannungsquelle (2);

einen Spannungsüberwacher (3) zur Begrenzung einer Ausgangsspannung auf einen maximalen Ausgangsspannungswert;

ein Strombegrenzungswiderstand (5) zur Begrenzung eines Ausgangsstromes (lout) auf einen maximalen Ausgangsstromwert (lmax);

eine aktive gesteuerte Strombegrenzungsschaltung (4) zur Begrenzung des Ausgangstromes (lout) auf einen Strombegrenzungswert (lum), wobei die

Strombegrenzungsschaltung (4) derartig ausgebildet ist, dass sie zumindest den Ausgangsstrom (l0ut) auf den Strombegrenzungswert (lUm) in Abhängigkeit eines Spannungsabfalls über zumindest einem Teil der Strombegrenzungsschaltung (4) regelt, wenn eine Belastung der Schaltungsanordnung über der Nennlast vorliegt, so dass eine Anpassung des Strombegrenzungswertes (lUm), vorzugsweise anhand einer vorbestimmten Kennlinie, und somit auch des Ausgangstromes ( t) erfolgt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , wobei die Strombegrenzungsschaltung (4) anhand einer vorbestimmten im Wesentlichen rechteckförmigen Kennlinie erfolgt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die

Strombegrenzungsschaltung (4) anhand einer vorbestimmten zumindest abschnittsweise degressiven Kennlinie erfolgt, so dass die Anpassung des Strom begrenzungswertes (lum) in Abhängigkeit des Spannungsabfalls variabel erfolgt.

4. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strombegrenzungsschaltung (4) zumindest einen ersten Shuntwiderstand (4b), einen Transistor (4d), eine Referenzspannungsquelle (4a), einen Operationsverstärker (4c) und eine erste Regelschleife (1 1 ) aufweist, wobei der Transistor (4d) in Reihe zu dem ersten Shuntwiderstand (4b) geschaltet ist und die erste Regelschleife (1 1 ) über dem Transistor (4d) ausgebildet ist und einen Spannungsteiler (4f, 4g) in Reihe zu einem ersten Mittel, welches einen Strom erst ab einem bestimmten Spannungswert durchlässt (4e) aufweist, wobei die Referenzspannungsquelle (4a) vor dem ersten Shuntwiderstand (4b) angeordnet ist und eine Referenzspannung (URef) erzeugt, welche an einem ersten Eingang des Operationsverstärkers (4c) anliegt, wobei eine Teilspannung des

Spannungsteilers der ersten Regelschleife an einem zweiten Eingang des

Operationsverstärkers (4c) anliegt und die erste Regelschleife (1 1 ) derartig ausgebildet ist, dass sich in dem Fall, dass ein Spannungsabfall über dem Transistor den bestimmten Spannungswert des ersten Mittels (4e) überschreitet ein Regelschleifenstrom einstellt, so dass die Strombegrenzungsschaltung (4) über die Teilspannung des Spannungsteilers den Strombegrenzungswert anpasst.

5. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend einen Shunt-Regler (10), der derartig ausgebildet ist, dass ein Querstrom (lQ) durch den Shunt-Regler (10) fließt, wenn eine Betriebsspannung des Shunt-Reglers (10) höher als eine Nennspannung des Shunt-Reglers (10) ist und wobei die

Strombegrenzungsschaltung (4) ferner dazu ausgebildet ist, dass sie den

Strombegrenzungswert in Abhängigkeit eines für den Querstrom (lQ) festgelegten Schwellwertes regelt.

6. Schaltungsanordnung nach dem vorherigen Anspruch, wobei die

Strombegrenzungsschaltung den Strombegrenzungswert derartig regelt, dass der Querstrom (lQ) durch den Shunt-Regler (10) den Schwellwert nicht mehr überschreitet.

7. Schaltungsanordnung nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Shunt-Regler (10) zumindest einen zweiten Shuntwiderstand (10a) und ein zweites Mittel zum Festlegen des Schwellwertes (10b) umfasst, wobei der zweite Shuntwiderstand (10a) und das zweite Mittel (10b) vorzugsweise in Reihe angeordnet sind.

8. Schaltungsanordnung nach dem vorherigen Anspruch, wobei ein Widerstandswert des zweiten Shuntwiderstandes (10a) des Shunt-Reglers (10) derartig gewählt ist, dass der Querstrom (lQ) kleiner 5%, vorzugsweise kleiner 2,5%, besonders bevorzugt kleiner 2% als der maximale Ausgangsstromwert ist, wenn die Strombegrenzungsschaltung (4) den Strombegrenzungswert regelt.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannungsüberwacher (3) eine Crowbar-Schaltung mit einem Thyristor (3b) und einer Schmelzsicherung (3a) umfasst.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil des Spannungsüberwachers (3), der Strombegrenzungsschaltung (4) oder des Shunt-Reglers (10) redundant, vorzugsweise zweifach redundant, besonders bevorzugt dreifach redundant, ausgebildet ist.

1 1. System der Automatisierungstechnik, umfassend eine eigensichere

Schaltungsanordnung (1 ) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche und ein Feldgerät (9) der Automatisierungstechnik, wobei das Feldgerät (9) mit der eigensicheren Schaltungsanordnung (1 ) zur Energieversorgung verbunden ist.

12. System der Automatisierungstechnik nach Anspruch 1 1 , wobei das Feldgerät (9) in einem explosionsgefährdeten Bereich und die Schaltungsanordnung (1 ) in einem nichtexplosionsgefährdeten Bereich angeordnet sind.

Description:
Eigensichere Schaltungsanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine eigensichere Schaltungsanordnung zur Versorgung eines Verbrauchers sowie ein System der Automatisierungstechnik, welches eine solche Schaltungsanordnung umfasst.

Feldgeräte der Automatisierungstechnik werden zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen eingesetzt. Beispiele für solche Feldgeräte sind

Füllstandsmessgeräte, Massendurchflussmessgeräte, Druck- und

Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotential- Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte etc., die als Sensoren die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeitswert erfassen. Zur Beeinflussung von

Prozessvariablen dienen sogenannte Aktoren, z. B. Ventile, die den Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt steuern oder Pumpen, die den Füllstand in einem Behälter ändern. Als Feldgeräte werden somit im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Unter dem in Verbindung mit der Erfindung verwendeten Begriff Feldgerät sind somit alle Typen von Messgeräten und Aktoren zu subsumieren. Weiterhin umfasst der Begriff Feldgerät aber auch z.B. ein Gateway, einen Funkadapter oder andere in ein Bussystem integrierte/integrierbare Busteilnehmer.

Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben. Um Feldgeräte mit Energie zu versorgen dienen Schaltungsanordnungen, an die das Feldgerät anschließbar ist. Hierbei kann die Schaltungsanordnung sowohl ein Teil des Feldgerätes darstellen und in einem Feldgerätgehäuse zusammen mit anderen

Elementen des Feldgerätes angeordnet sein, oder aber die Schaltungsanordnung ist abgesetzt von dem Feldgerätgehäuse angeordnet.

Um ein Feldgerät in explosionsgefährdeten Bereichen einzusetzen, sind strenge

Sicherheitsanforderungen zu beachten. Diese haben das Ziel eine Funkenbildung, die ggf. eine Explosion auslösen könnte, zu vermeiden oder zu verhindern, so dass ein im Inneren eines abgeschlossenen Raumes entstehender Funke keine Auswirkungen auf die Umgebung hat. Dieses Ziel ist auf verschiedenen Wegen erreichbar. Die entsprechenden Explosionsschutzmaßnahmen werden in Zündschutzarten unterteilt, die in

entsprechenden Industrienormen, wie zum Beispiel der Normenreihe IEC 60079 der Internationalen Elektrotechnischen Kommission, geregelt sind. Eine in der Praxis für Feldgeräte besonders relevante Zündschutzart ist die

"Eigensicherheit (Ex-i)", welche in der Norm IEC EN DIN 60079-1 1 festgelegt ist. Die Zündschutzart„Eigensicherheit (Ex-i)" basiert auf dem Prinzip der Strom- und/oder Spannungsbegrenzung in dem Stromkreis der Schaltungsanordnung zur Versorgung des Gerätes. Hierbei wird die Energie des Stromkreises, die in der Lage sein könnte, eine explosionsgefährdete Atmosphäre zum Zünden zu bringen, so begrenzt, dass weder durch ein Funken noch durch unzulässige Erwärmung der elektrischen Bauteile die Zündung der umgebenden explosionsfähigen Atmosphäre stattfinden kann. Derartige Schaltungsanordnungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Nachteilig an ihnen ist, dass trotz der in der Schaltungsanordnung begrenzten Energie im Fehlerfall, bspw. bei einem Kurzschluss am Ausgang, immer noch relativ hohe Verlustleistungen in der Begrenzungsschaltung auftreten. Diese Verlustleistung wird gewöhnlich in Form von Erwärmung der elektrischen Bauteile freigesetzt.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine eigensichere Schaltungsanordnung vorzuschlagen, bei der im Fehlerfall die Verlustleistung möglichst niedrig gehalten wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine eigensichere Schaltungsanordnung zur Versorgung eines Verbrauchers mit einem maximalen Leistungsbedarf gelöst, wobei die Schaltungsanordnung folgendes umfasst:

eine Spannungsquelle;

einen Spannungsüberwacher zur Begrenzung einer Ausgangsspannung auf einen maximalen Ausgangsspannungswert;

- ein Strombegrenzungswiderstand zur Begrenzung eines Ausgangsstromes auf einen maximalen Ausgangsstromwert;

eine aktive gesteuerte Strombegrenzungsschaltung zur Begrenzung des

Ausgangstromes auf einen Strombegrenzungswert, wobei die

Strombegrenzungsschaltung derartig ausgebildet ist, dass sie zumindest den Ausgangsstrom auf den Strombegrenzungswert in Abhängigkeit eines

Spannungsabfalls über zumindest einem Teil der Strombegrenzungsschaltung regelt, wenn eine Belastung der Schaltungsanordnung über der Nennlast vorliegt, so dass eine Anpassung des Strombegrenzungswertes, vorzugsweise anhand einer vorbestimmten Kennlinie, und somit auch des Ausgangstromes erfolgt.

Erfindungsgemäß wird eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen, die im Fehlerfall eine in der Schaltungsanordnung auftretenden maximale Verlustleistung durch Anpassung eines Stromes möglichst niedrig hält, umso zu vermeiden, dass es zu einer übermäßigen Erwärmung bzw. einem übermäßigen thermischen Verlust kommt. Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sieht vor, dass die Strombegrenzungsschaltung anhand einer vorbestimmten im Wesentlichen rechteckförmigen Kennlinie erfolgt. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sieht vor, dass die Strombegrenzungsschaltung anhand einer vorbestimmten zumindest abschnittsweise degressiven Kennlinie erfolgt, so dass die Anpassung des

Strombegrenzungswertes in Abhängigkeit des Spannungsabfalls variabel erfolgt. Wiederum eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen

Schaltungsanordnung sieht vor, dass die Strombegrenzungsschaltung zumindest einen ersten Shuntwiderstand, einen Transistor, eine Referenzspannungsquelle, einen

Operationsverstärker und eine erste Regelschleife aufweist, wobei der Transistor in Reihe zu dem ersten Shuntwiderstand geschaltet ist und die erste Regelschleife über dem Transistor ausgebildet ist und einen Spannungsteiler in Reihe zu einem ersten Mittel, welches einen Strom erst ab einem bestimmten Spannungswert durchlässt aufweist, wobei die Referenzspannungsquelle vor dem ersten Shuntwiderstand angeordnet ist und eine Referenzspannung erzeugt, welche an einem ersten Eingang des

Operationsverstärkers anliegt, wobei eine Teilspannung des Spannungsteilers der ersten Regelschleife an einem zweiten Eingang des Operationsverstärkers anliegt und die erste Regelschleife derartig ausgebildet ist, dass sich in dem Fall, dass ein Spannungsabfall über dem Transistor den bestimmten Spannungswert des ersten Mittels überschreitet ein Regelschleifenstrom einstellt, so dass die Strombegrenzungsschaltung über die

Teilspannung des Spannungsteilers den Strombegrenzungswert anpasst.

Wiederum eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen

Schaltungsanordnung sieht ferner einen Shunt-Regler vor, der derartig ausgebildet ist, dass ein Querstrom durch den Shunt-Regler fließt, wenn eine Betriebsspannung des Shunt-Reglers höher als eine Nennspannung des Shunt-Reglers ist und wobei die Strombegrenzungsschaltung ferner dazu ausgebildet ist, dass sie den

Strombegrenzungswert in Abhängigkeit eines für den Querstrom festgelegten

Schwellwertes regelt. Insbesondere kann die Weiterbildung vorsehen, dass die

Strombegrenzungsschaltung den Strombegrenzungswert derartig regelt, dass der Querstrom durch den Shunt-Regler den Schwellwert nicht mehr überschreitet und/oder der Shunt-Regler zumindest einen zweiten Shuntwiderstand und ein zweites Mittel zum Festlegen des Schwellwertes umfasst, wobei der zweite Shuntwiderstand und das zweite Mittel vorzugsweise in Reihe angeordnet sind. Ferner kann die Weiterbildung vorsehen, dass ein Widerstandswert des zweiten Shuntwiderstandes des Shunt-Reglers derartig gewählt ist, dass der Querstrom kleiner 5%, vorzugsweise kleiner 2,5%, besonders bevorzugt kleiner 2% als der maximale Ausgangsstromwert ist, wenn die

Strombegrenzungsschaltung den Strombegrenzungswert regelt.

Wiederum eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen

Schaltungsanordnung sieht vor, dass der Spannungsuberwacher eine Crowbar-Schaltung mit einem Thyristor und einer Schmelzsicherung umfasst.

Eine letzte vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sieht vor, dass zumindest ein Teil des Spannungsuberwacher, der

Strombegrenzungsschaltung oder des Shunt-Reglers redundant, vorzugsweise zweifach redundant, besonders bevorzugt dreifach redundant, ausgebildet ist.

Die Aufgabe wird darüber hinaus durch ein System der Automatisierungstechnik gelöst, welches eine eigensichere Schaltungsanordnung, die gemäß einer zuvor beschriebenen Ausgestaltung ausgebildet ist, und ein Feldgerät der Automatisierungstechnik aufweist, wobei das Feldgerät mit der eigensicheren Schaltungsanordnung zur Energieversorgung verbunden ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass das Feldgerät in einem explosionsgefährdeten Bereich und die Schaltungsanordnung in einem nicht-explosionsgefährdeten Bereich angeordnet sind.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung zur

eigensicheren Versorgung,

Fig. 2: eine hinsichtlich des Verhältnisses von Verlustleistung zu Nutzleistung verbesserte Schaltungsanordnung,

Fig. 3: exemplarisch eine aktiv geregelte Strombegrenzungsschaltung mehr im Detail,

Fig. 4: eine rechteckförmige Kennlinie, die der aktiven Strombegrenzungsschaltung zugrunde liegt,

Fig. 5: eine hinsichtlich des Verhältnisses von Verlustleistung zu Nutzleistung gegenüber der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung nochmals verbesserte

Schaltungsanordnung, Fig. 6: exemplarisch eine Strombegrenzungsschaltung der eine degressive Kennlinie zugrunde liegt,

Fig. 7: eine degressive Kennlinie, die der aktiven Strombegrenzung zugrunde liegt,

Fig. 8: eine eigensichere Schaltungsanordnung, die im Vergleich zu der in Fig. 5 dargestellten Schaltungsanordnung, verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der

Stabilisierung der Ausgangsspannung aufweist, und

Fig. 9: ein System der Automatisierungstechnik umfassend eine eigensichere

Schaltungsanordnung und ein Feldgerät, welches von der Schaltungsanordnung gespeist wird.

Figur 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung zur eigensicheren Versorgung 1 . Diese umfasst eine Spannungsquelle 2, einen aktiven Spannungsuberwacher bzw. -begrenzer 3 sowie ein Strombegrenzungswiderstand 5 zur Begrenzung eines Ausgangsstromes auf einen maximalen Ausgangsstromwert l max , ein erstes Anschlussklemmenpaar 6 zum Anschluss einer Verbindungsleitung 7 und ein zweites Anschlussklemmenpaar 8 zum Anschluss eines Verbrauchers bzw. einer Last 9, wie bspw. ein Feldgerät 9, umfasst.

In der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist an die Spannungsquelle 2 der Spannungsuberwacher 3 angeschlossen, an den wiederum der

Strombegrenzungswiderstand 5 gefolgt von dem ersten Anschlussklemmenpaar 6 angebunden ist. An das erste Anschlussklemmenpaar 6 ist eine Verbindungsleitung 7 angeschlossen, die das erste Anschlussklemmenpaar 6 mit dem zweiten

Anschlussklemmenpaar 8 verbindet, so dass an dem zweiten Anschlussklemmenpaar 8 der Verbraucher bzw. die Last 9 anschließbar ist.

Der Spannungsuberwacher 3 ist derartig ausgelegt, dass eine Eingangsspannung U 0 der Spannungsquelle 2 einen durch den Spannungsuberwacher 3 vordefinierten bzw.

festgelegten Wert Uu m nicht überschreitet. Typischerweise wird als

Spannungsuberwacher 3 eine Crowbar-Schaltung verwendet, die derartig ausgelegt ist, dass in dem Fall, dass die Eingangsspannung Uo den vordefinierten Wert Uu m überschreitet ein Thyristor 3b gezündet bzw. aktiviert wird, so dass eine

Schmelzsicherung 3a zum Durchbrennen gebracht wird. Durch das bewusste Zerstören der Schmelzsicherung 3a werden die nachfolgenden Schaltungsteile von der

Spannungsquelle 2 getrennt. Der in Fig. 1 dargestellte Strombegrenzungswiderstand 5 ist mit seinem Widerstandswert R Ex derartig dimensioniert, dass ein Ausgangsstrom l 0u t an dem ersten

Anschlussklemmenpaar 6 auf einen maximalen Ausgangsstromwert l max von

U Lim

max

R Ex im Kurzschlussfall begrenzt wird. Ein derartiger ohmscher Widerstand ist aus

sicherheitsrelevanten Gründen für die Eigensicherheit„Ex-i" unerlässlich und auch entsprechend in der Norm IEC EN DIN 60079-1 1 vorgeschrieben. Durch den entsprechend dimensionierten Strombegrenzungswiderstand 5 ergibt sich im Kurzschlussfall an dem ersten Anschlussklemmenpaar 6 eine maximale Verlustleistung

Pvmax On

II ■ 2

n _ ilm

' Vmax

R Ex Der Verbraucher bzw. die Last 9, der bzw. die an dem zweiten Anschlussklemmenpaar 8 über die Verbindungsleitung 7 mit einem maximalen Leitungswiderstand R L verbunden ist, steht somit eine maximale Nutzleistung P max von höchstens

zur Verfügung.

Dies bedeutet, dass im schlechtesten Fall die Verlustleistung in der Schaltungsanordnung je nach Leitungswiderstand RL mindestens um den Faktor 4 höher als die Nutzleistung für den Verbraucher 9 ist.

Fig. 2 zeigt eine hinsichtlich des Verhältnisses von Verlustleistung zu Nutzleistung gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung verbesserte eigensichere Schaltungsanordnung 1 . Hierzu ist, zusätzlich zu den in Fig. 1 dargestellten Bauteilen eine elektronische Strombegrenzungsschaltung 4 zur Begrenzung des Ausgangsstromes zwischen dem Spannungsüberwacher 3 und dem Ausgangswiderstand angeordnet. Die Strombegrenzungsschaltung 4 begrenzt den Ausgangsstrom l 0u t auf einen maximalen Strombegrenzungswert l L i m , max von Fig. 3 zeigt exemplarisch eine aktiv geregelte Strombegrenzungsschaltung mehr im Detail. Diese umfasst einen ersten Shuntwiderstand 4b, eine Referenzspannungsquelle 4a einen Operationsverstärker 4c und einen Transistor 4d, bspw. einen

Feldeffekttransistor, vorzugsweise einen p-Kanal-Feldeffekttransistor. Die

Strombegrenzungsschaltung 4 ist derartig eingerichtet, dass in dem Fall, dass ein

Spannungsabfall AUi über dem Shuntwiderstand 4b im Wesentlichen kleiner als eine durch die Referenzspannungsquelle 4a erzeugte Referenzspannung U Ref ist, der Ausgang des Operationsverstärkers 4c zur negativen Versorgungspannung gezogen wird, so dass der an den Operationsverstärker angebundene p-Kanal-Feldeffekttransistor durchschaltet und in dem Fall, dass der Spannungsabfall über dem Shuntwiderstand im Wesentlichen gleich oder größer der Referenzspannung U Ref ist, der Ausgang des Operationsverstärkers zur positiven Versorgungspannung gezogen wird, so dass der Feldeffekttransistor sperrt. Auf diese Weise wird der Ausgangsstrom l 0u t der in Fig. 2 dargestellten

Schaltungsanordnung gemäß einer im Wesentlichen rechteckförmigen Kennlinie begrenzt.

Fig. 4 zeigt eine solche rechteckförmige Kennlinie, welche charakteristisch für die in Fig. 3 dargestellte Strombegrenzungsschaltung ist.

Exemplarisch wird das Verhalten der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung mit einer aktiv geregelten Strombegrenzungsschaltung gemäß Fig. 3 an zwei Fällen, einmal, dass keine Begrenzung und einmal, dass eine Begrenzung durch die

Strombegrenzungsschaltung 4 vorliegt, erläutert.

In dem Fall, dass keine Begrenzung vorliegt, ist die Spannung am Punkt Ui im

Wesentlichen gleich der Eingangsspannung U 0 (Punkt A in Fig. 4). Somit fällt im

Wesentlichen keine Spannung über der Strombegrenzungsschaltung 4 ab Unter der Annahme, dass die Schaltungsanordnung auf den Verbraucher mit einer Nennlast R Las t optimal abgestimmt ist, d.h. im leistungsangepassten Fall (R Ex + Ri_ = RLast), ergibt sich eine maximale Nutzleistung P max von

In dem Fall, dass eine Begrenzung vorliegt (links des Punkt A in Fig. 4), weicht die

Spannung am Punkt Ui von der Eingangsspannung Uo ab, so dass eine Spannung AUi über der Strombegrenzungsschaltung 4 abfällt. Eine derartige Strombegrenzungsschaltung 4 verändert die maximal entnehmbare Nutzleistung P max im Vergleich zu der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 nicht.

Allerdings reduziert sich die maximale Verlustleistung in der Schaltungsanordnung 4 auf

Dies führt zu einem um einen Faktor 2 verbesserten Verhältnis von Verlustleistung zu Nutzleistung. Nichtsdestotrotz ist das Verhältnis aber immer noch mindestens doppelt hoch wie die Nutzleistung.

Fig. 5 zeigt eine hinsichtlich des Verhältnisses von Verlustleistung zu Nutzleistung nochmals verbesserte Schaltungsanordnung. Dies wird dadurch erreicht, dass die aktive Strombegrenzungsschaltung 4 mit Rechteckkennlinie durch eine

Strombegrenzungsschaltung der eine degressive Kennlinie zugrunde liegt, ersetzt wird. Hierzu weist die Strombegrenzungsschaltung 4, genau wie die in Fig. 3 dargestellte Strombegrenzungsschaltung 4, wiederum einen ersten Shuntwiderstand 4b, einen Transistor 4d, eine Referenzspannungsquelle 4a, einen Operationsverstärker 4c und zusätzlich eine erste Regelschleife 1 1 auf.

Durch die Maßnahme verändert sich der maximale Strombegrenzungswert lum.max im Vergleich zu dem gemäß der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung nicht und ist weiterhin

Allerdings reduziert sich die maximale Verlustleistung P v in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 in Abhängigkeit der zugrunde liegenden degressiven Kennlinie auf

Pv ~ Pv {Strombegrenzung) Pv(Strombegrenzungswiderstnad) wobei Pv(strombegrenzung) der Verlustleistung der Strombegrenzungsschaltung und

Pv(strombegrenzungswiderstand) der Verlustleistung des Strombegrenzungswiderstandes entspricht. Vereinfacht betrachtet, ergibt sich die maximale Verlustleistung in der

Schaltungsanordnung in dem Fall, dass der Spannungsabfall (U L i m - Ui) über der Strombegrenzungsschaltung im Wesentlichen Null ist, so dass sich ein theoretischer Maximalwert für die Verlustleistung von ergibt.

Basierend auf dieser Überlegung lässt sich die theoretische Verlustleistung zu

V bestimmen. Unter der Annahme, dass der Leitungswiderstand R L gegenüber

Strombegrenzungswiderstand RE X vernachlässigbar gering ist, ergibt sich

_ 1 t/ 0 2

P Y ~ 2 2 (R EX + R L

Dies bedeutet, dass die theoretisch maximal mögliche Verlustleistung gleich der an dem zweiten Anschlussklemmenpaar entnehmbaren Nutzleistung ist.

Fig. 6 zeigt exemplarisch einen Strombegrenzer dem eine degressive Kennlinie zugrunde liegt. Diese umfasst zusätzlich zu den in Fig. 3 dargestellten Bauteilen eine erste Regelschleife 1 1.

Die erste Regelschleife 1 1 umfasst einen Spannungsteiler 4f, 4g und ein erstes Mittel 4e, welches einen Regelschleifenstrom l z erst ab einem bestimmten Spannungswert durchlässt. In dem Fall, dass an dem ersten Mittel 4e der bestimmte Spannungswert anliegt bzw. dieser Spannungswert überschritten wird, stellt sich ein Regelschleifenstrom l z ein, so dass eine Teilspannung über dem Spannungsteiler abfällt. Diese Teilspannung ist einem zweiten Eingang des Operationsverstärkers 4c zugeführt. Dem ersten Eingang des Operationsverstärkers ist, wie in dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel auch, eine Referenzspannung U Re f der Referenzspannungsquelle 4a zugeführt, so dass der Operationsverstärker 4c einen nachgeschalteten Feldeffekttransistor steuert.

In dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel ist das erste Mittel in Form einer Zenerdiode realisiert, die in Reihe zu dem Spannungsteiler bestehend aus zwei Widerständen geschaltet ist. Die Zenerdiode 4e ist dabei mit der Anode an Source des

Feldeffekttransistors 4d und mit der Kathode an den Spannungsteiler 4f, 4g

angeschlossen, wobei die Teilspannung des Spannungsteilers 4f, 4g an den Operationsverstärker 4c geführt ist. Somit fließt in dem Fall, dass die Source-Drain- Spannung des Feldeffekttransistors 4d die Zenerspannung überschreitet, ein

Regelschleifenstrom l z , welcher einen Spannungsabfall über dem Spannungsteiler 4f, 4g erzeugt und durch die Teilspannung wird der Operationsverstärker 4c derartig geregelt, dass mit zunehmendem Spannungsabfall der Strom auf den Strombegrenzungswert l Um reduziert wird. Das erste Mittel 4e ist allerdings nicht auf eine Zenerdiode beschränkt, sondern kann bspw. auch zwei in Reihe geschaltete Dioden oder ähnliche Bauteile darstellen. Fig. 7 zeigt eine idealisierte degressive Kennlinie, die der zuvor beschriebenen aktiven Strombegrenzungsschaltung 4 zugrunde liegt. Hierbei stellen die Punkte„A" und„B" für die Strombegrenzungsschaltung 4 charakteristische Punkte dar, die je nach konkreter Ausgestaltung der Strombegrenzungsschaltung 4, d.h. Dimensionierung der Bauteile, variable einstellbar sind. So wird anhand des Punktes„A" festgelegt, ab welchem

Spannungswert (in Fig. 7 in dem Fall, dass U-ι = 0,5 * U 0 ) der Strom l Um durch die

Strombegrenzungsschaltung begrenzt wird. Wohingegen anhand des Punktes„B" der maximale Strom im Kurzschlussfall festgelegt wird. In Fig. 7 ist der maximale Strom l U m auf den im Kurzschlussfall von der Strombegrenzungsschaltung 4 geregelt wird gleich der Hälfte des maximal möglichen Strombegrenzungswerts lum.max-

Fig. 8 zeigt eine eigensichere Schaltungsanordnung, wie sie auch in Fig. 5 dargestellt ist, die hinsichtlich der Stabilisierung der Ausgangsspannung verbesserte Eigenschaften aufweist. Bei der in Fig. 5 dargestellten Schaltungsanordnung muss der vordefinierte bzw. festgelegte Wert U L i m des Spannungsüberwachers 3 aufgrund von Toleranzen deutlich höher gewählt werden als die für den Betrieb der Schaltungsanordnung gewünschte Ausgansspannung. Um die an dem ersten Anschlussklemmenpaar 6 gewünschte Ausgangsspannung näher an den vordefinierten bzw. festgelegten Wert Uu m des

Spannungsüberwachers legen zu können, wird die Schaltung um einen Shunt-Regler bzw. Spannungsregler 10 erweitert.

Der Shunt-Regler 10 umfasst einen Widerstand 10a und ein in Serie angeordnetes zweites Mittel 10b zum Festlegen eines Schwellwertes bzw. Nennspannung. Das zweite Mittel 10b kann bspw. eine zweite Zenerdiode sein, deren Zenerspannung als

Schwellwert dient. Alternativ kann das zweite Mittel aber auch in Form eines

Feldeffekttransistors ausgebildet sein. Der Shunt-Regler 10 ist mit dem Widerstand zwischen der Strombegrenzungsschaltung und dem Ausgangswiderstand RE X angeordnet und wird von einem Querstrom l Q durchflössen. Der Widerstandswert des Widerstandes wird möglichst klein gewählt, so dass der Querstrom l Q typischerweise deutlich kleiner 5% als der maximale Strombegrenzungswert l U m, max ist, der sich wiederum, wie bereits erwähnt, zu

/ l Lim,max - / U °

z ' V K Ex + K L) berechnet. Beispielsweise kann der Widerstandswert kleiner 5 Ohm, bevorzugt kleiner 3 Ohm, besonders bevorzugt kleiner 1 Ohm sein.

Der Shunt-Regler 10 sorgt dafür, dass in dem Fall, dass er aktiv ist, d.h. wenn eine Betriebsspannung höher als eine Nennspannung, bspw. die Zenerspannung der zweiten Zenerdiode, des Shunt-Reglers ist, dieser von dem Querstrom durchflössen wird.

Aufgrund des Querstromes l Q findet eine Belastung der Strombegrenzungsschaltung statt. Um die Verlustleistung im aktiven Fall des Shunt-Reglers10 zu reduzieren, wird der Querstrom l Q über einen Spannungsabfall AU 2 des Widerstands gemessen und über eine zweite Regelschleife 12 wird die Strombegrenzungsschaltung, bei Überschreitung eines für den Querstrom l Q festgelegten Schwellwertes, derartig geregelt, dass der

Strombegrenzungswert l U m soweit reduziert wird, bis der Querstrom l Q durch den Shunt- Regler 10 den Schwellwert nicht mehr überschreitet, so dass die durch den Shunt-Regler 10 verursachte Verlustleistung minimiert wird. In dem Fall, dass der Shunt-Regler 10 nicht aktiv ist, d.h. wenn die Betriebsspannung niedriger als die Nennspannung bzw. Zenerspannung der Zenerdiode ist, funktioniert die Strombegrenzungsschaltung, wie bei der in Fig. 5 dargestellten Schaltungsanordnung auch. Dies bedeutet, dass bei einer Belastung der Schaltungsanordnung unterhalb oder gleich der Nennlast, diese noch nicht aktiv den Ausgangsstrom regelt und somit auch nur einen vernachlässigbaren Spannungsabfall Aö 2 aufweist. In dem Fall, dass eine

Überschreitung der Nennlast, bspw. aufgrund eines Kurzschlusses, vorliegt, reduziert die Strombegrenzungsschaltung 4 den Strombegrenzungswert l U m in Abhängigkeit des Spannungsabfalls über der Strom begrenzung entsprechend einer definierten Kennlinie. Die in den Fig. 2 bis 8 dargestelltem Schaltungsanordnungen sind einfach ausgebildet. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil des Spannungsüberwachers 3, der Strombegrenzungsschaltung 4 oder des Shunt-Reglers redundant ausgebildet ist. Hierbei können die redundanten Elemente sowohl zweifach als auch dreifach redundant ausgebildet sein.

Fig. 9 zeigt ein System der Automatisierungstechnik 13 umfassend eine eigensichere Schaltungsanordnung 1 und ein Feldgerät 9, welches von der Schaltungsanordnung 1 gespeist wird. Hierbei ist die eigensichere Schaltungsanordnung 1 wie zuvor in einer Ausführung beschrieben ausgeführt. Die eigensichere Schaltungsanordnung 1 sitzt dabei in einem nicht-explosionsgefährdeten Bereich, wohingegen das Feldgerät 9 in einem explosionsgefährdeten Bereich sitzt und von der Schaltungsanordnung 1 mit Energie versorgt wird.

Bezugszeichenliste

1 Schaltungsanordnung zur eigensicheren Versorgung

2 Spannungsquelle

3 Spannungsüberwacher bzw. -begrenzer

3a Schmelzsicherung

3b Thyristor

4 Strombegrenzungsschaltung

4a Referenzspannungsquelle

4b Erster Shuntwiderstand

4c Operationsverstärker

4d Feldeffekttransistor

4e Erstes Mittel, bspw. in Form einer Zenerdiode

4f, 4g Widerstände des Spannungsteilers

5 Strombegrenzungswiderstand

6 Erstes Anschlussklemmenpaar

7 Verbindungsleitung

8 Zweites Anschlussklemmenpaar

9 Verbraucher bzw. Last, bspw. in Form eines Feldgerätes

10 Shunt-Regler

10a Zweiter Shuntwiderstand

10b Zweites Mittel, bspw. in Form einer zweiten Zenerdiode

1 1 Erste Regelschleife

12 Zweite Regelschleife

13 System der Automatisierungstechnik

REX Ausgangswiderstand bzw. Strombegrenzungswiderstand

R|_ast Nennlast des Verbrauchers

Imax Maximaler Ausgangsstrom

lz Schleifenstrom der Regelschleife