一种本质安全型能量限制电路制造技术

一种连接在上游直流电源（2）与所述上游直流电源供能的下游电力负载（3）之间的本质安全型能量限制电路（1），所述本质安全型能量限制电路从上游至下游包括：输入端（5），连接到直流电源（2）；电子限流器（11），适用于限制通过电路的电流至最大值，如果电流到达该最大值；保险丝（10），设计用于在电流值大于所述最大值时熔断；直流-直流转换器（7），适用于将直流输入电压转换为电压更低的标称直流输出电压；齐纳栅（8），具有高于直流输出电压的齐纳电压，和输出端（6），其连接到电力负载（3）。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种本质安全型能量限制电路，其连接在上游直流电源和该直流电源供能的下游电力负载之间。
技术介绍
本质安全(IS)是一种保护概念，用于保障电气设备在易爆环境和非正规操作条件下安全运行。这一概念受一系列标准的约束，且必须确保设备中的可用电能和热能始终足够低以便危险气体不会着火。为限制提供给设备的电能，有必要对电流和电压都进行限制。电压通常由齐纳栅来限制。在该齐纳栅和设备之间的串联电阻提供瞬时电流限制，以阻止当电流中断时产生的火花和电弧。此外,还可通过熔断电源和齐纳栅之间的保险丝将电流限制在安全值。如果电源提供的输入电压通常高于齐纳电压，当启动电流涌入一个与保险丝串联的附加电阻时，该电阻可阻止该保险丝熔断，并且通过耗散由齐纳电压与输入电压差产生的能量来限制连续电流通过齐纳栅。根据US 7，852，610B2，已知可使用直流-直流转换器将上游直流电源提供的电压减小到所需水平，以输入到常规能量限制栅。由于此处无需进一步稳定电压，因此能量限制栅的齐纳栅具有高于直流-直流转换器标称输出电压的齐纳电压。由于此处通常没有额外的电流通过齐纳栅，并且现代开关式直流-直流转换器的功率转换损失通常非常低，因此应该有两个或多个由相同上游直流电源供能的设备(或多个一般电力负载)，每个设备或负载从其自有的直流-直流转换器处接收独立输出电压，并由其自有的能量限制栅保护。但是，由于传统的本质安全型保险丝价格昂贵，因此每个传统的能量限制栅具有独立保险丝这点可能也是一个缺点。此外，对具有两个或多个保险丝的本质安全型电路进行评估变得更复杂，因为其下游设备在电力上没有隔断，并且保险丝在正常或故障条件下可能共享电流。在这种情况下，通过保险丝的电流则会成为导致故障情形的部分原因。这就导致安全认证存在困难。另一方面，本质安全要求在串联保护元件(如保险丝)的两端具有一定的距离。保证保险丝的两端在电路中间分开比在物理电路布局中保持保险丝处于前端要困难得多。
技术实现思路
因此本专利技术的一个目标是提供一种新的改进的电气隔离，用在处于潜在易爆区域的电力负载与电源之间。根据本专利技术，提供了一种连接在上游直流电源与该直流电源供能的下游电力负载之间的本质安全型能量限制电路，所述电路从上游至下游包括:输入端，其连接到直流电源，电子限流器，适用于限制通过电路的电流至最大值如果电流到达该最大值，保险丝，设计用于在电流值大于所述最大值时熔断，直流-直流转换器，适用于将直流输入电压转换为电压更低的标称直流输出电压，齐纳栅，其具有高于直流输出电压的齐纳电压，和输出端，连接到电力负载。在大多或绝大多数情况下，在齐纳栅和负载之间存在串联电阻；但该电阻可根据负载类型而省略。因此，依照本专利技术，保险丝安置在直流-直流转换器上游并进一步由电子限流器保护。这允许简单地将保险丝安置在物理电路布局的前端(up front)并保证保险丝的两端都良好分开。另外，该能量限制电路可扩展成本质安全电源，其两个或多个负载从单个上游直流电源获取单独的输出电压，无需额外的本质安全型保险丝。在这种情况下，对每个其他需供电的电力负载而言，本专利技术的能量限制电路还包括:另外的直流-直流转换器，其连接到所述保险丝的下游并适用于将直流输入电压转换为另外的电压更低的直流输出电压，另外的齐纳栅，具有高于所述另外的直流输出电压的齐纳电压，和另外的输出端，其连接到另外的电力负载。所述直流-直流转换器在极低的电量转换损失下将直流输入电压转换为电压更低的稳定直流输出电压。在固定负载下，该直流-直流转换器的输入电流与输入电压成反t匕，因为输入功率为定值。因此，在低输入电压下，输入电流将相应地增大。例如，当功率增加时，直流-直流转换器在1/3的标称输入电压下开始运行，则输入电流增加到其标称值的三倍。此外，当切换转换器刚启动，在充分达到标准输出前，其涌入电流大且效率很低。直流-直流转换器通常具有输入电容，该电容上的涌入电流可进一步增大。显然这会熔断保险丝。但是，安全规范不允许修复本质安全型设备，这导致无法替换本质安全型保险丝。因此，依照本专利技术，电子限流器用于保护保险丝。该限流器为非本质安全型组件，且假使该组件失效，保险丝也将作为本质安全型组件完成其工作。电子限流器在电子领域广泛应用，通常包括电流传感器、与电流传感器串联的半导体串联调整元件(series pass element)和控制电路,该控制电路响应于电流传感器并给半导体串联调整元件提供控制信号来限制通过该电路的电流。为有效保护保险丝，同时允许最大电流消耗，应优选使用精密电子限流器，其控制电路具有运算放大器部分。一种可行的此种电子限流器基本设计可参照US 4，800，331。所述半导体串联调整元件可以是双极型晶体管或场效应晶体管。通过监控与半导体串联调整元件串联的低欧姆电阻的电压降可检测所述电流。为保护直流-直流转换器免受高输入电压的损害，电子限流器还优选地包括过压传感器，所述控制电路适用于进一步响应过压传感器，从而给半导体串联调整元件提供控制信号。为防止直流-直流转换器在达到最小输入电压前供电，电子限流器还优选地包括欠压传感器；控制电路进一步响应欠压传感器，从而给半导体串联调整元件提供控制信号。只要检测到电压低于输入电压最小值，便可控制串联调整元件以阻止电流。所述电子限流器还可包括接通延迟电路，以允许电流缓慢增大；所述控制电路随后进一步响应接通延迟电路，以便给半导体串联调整元件提供控制信号。附图说明通过举例，并参考附图，现将描述本专利技术，其中:图1为根据本专利技术第一实施例的本质安全型能量限制电路的方框图；图2为根据本专利技术第二实施的本质安全型能量限制电路的方框图；附图3为作为图1或图2中电路组件的精密电子限流器的实施例。具体实施例方式附图1示出本质安全(IS)型能量限制电路I的上游连接到直流电源2并下游连接到电源I供能的电力负载3。该电力负载3可为任意设备、系统、电路或电路的部分，符合一个或多个本质安全标准，包括但不限于IEC 60079-1UFM 3610和UL 913，并且该电力负载处于可能出现易爆和/或易燃气体的危险区域4。所述电路I和负载3可为独立设备或整合为一个设备。所述直流电源2为非本质安全型设备或不满足抑或无需满足本质安全标准的系统。所述能量限制电路具有与直流电源2连接的输入端5和与电力负载3连接的输出端6。所述上游直流电源2提供高于下游电力负载3需求的电压。所述电路I包括开关式直流-直流转换器7，以降低输入电压水平到持续受控的输出电压，例如18V，在本例中该输入电压水平通常为24V但也可变，。适合的直流-直流转换器也称为降压稳压器，其带有输出稳定电压、输出可调的版本已被广泛应用。若直流-直流转换器7失效，则齐纳栅8限制供给负载3的电压。所述齐纳栅8包括至少一个，最好是三个齐纳二极管，其齐纳电压为20V±5%。为阻止电流正常流入齐纳栅，可选用直流-直流转换器7的输出电压和齐纳电压以使最低齐纳电压(19V)超过标称直流输出电压(18V)。所述齐纳栅8与所述输出端6之间的串联电阻9用来限制瞬时电流，当中断通向电力负载3或电力负载3上的电流时，该串联电阻可防止产生火花或电弧。所述电阻9实际上并非总是必要的，其也可置于所述负载3之后，具体取决于负载3中的电容和/或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种连接在上游直流电源（2）和所述上游直流电源（2）供能的下游电力负载（3）之间的本质安全型能量限制电路（1），所述电路从上游至下游包括：输入端（5），连接到直流电源（2）；电子限流器（11），适用于限制通过电路的电流至最大值，如果电流到达该最大值；保险丝（10），设计用于在电流值大于所述最大值时熔断；直流?直流转换器（7），适用于将直流输入电压转换为电压更低的标称直流输出电压；齐纳栅（8），具有高于所述直流输出电压的齐纳电压；和输出端（6），连接到所述电力负载（3）。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：格伦·尤金·施密特，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：