DE29822765U1 - Circuit arrangement for voltage rectification and limitation - Google Patents
Circuit arrangement for voltage rectification and limitationInfo
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Description
,GR 98 G 4464 DE,GR 98 G 4464 DE
BeschreibungDescription
Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begrenzung
5Circuit arrangement for voltage rectification and limitation
5
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begrenzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement for voltage rectification and limitation according to the preamble of claim 1.
Eine derartige Schaltungsanordnung ist bereits aus dem Buch "Das große Werkbuch Elektronik" von Dieter Nührmann, Band 1, 6. Auflage, Franzis-Verlag GmbH, 1994, Seiten 1197 und 1198, bekannt. Als Schaltung zur Spannungsstabilisierung wird dort ein Brückengleichrichter beschrieben, in welchen Zenerdioden als Gleichrichterelemente eingesetzt sind. Die während einer Gleichrichterphase leitenden Dioden arbeiten mit einer Durchlaßspannung von 0,6 V. Die beiden in dieser Zeit nicht am Gleichrichtervorgang beteiligten Dioden sind in Sperrichtung geschaltet. Die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters wird durch die Zenerdioden auf einen Wert begrenzt, welcher der Differenz aus der Diodendurchbruchspannung und der Durchlaßspannung entspricht. Durch diese Anordnung der Zenerdioden ergibt sich bereits eine stabilisierte Ausgangsspannung. Die Dioden sollen dazu die gleiche Durchbruchspannung aufweisen.Such a circuit arrangement is already known from the book "The Great Electronics Manual" by Dieter Nührmann, Volume 1, 6th edition, Franzis-Verlag GmbH, 1994, pages 1197 and 1198. A bridge rectifier is described there as a circuit for voltage stabilization, in which Zener diodes are used as rectifier elements. The diodes that are conductive during a rectification phase operate with a forward voltage of 0.6 V. The two diodes that are not involved in the rectification process during this time are switched in the reverse direction. The output voltage of the bridge rectifier is limited by the Zener diodes to a value that corresponds to the difference between the diode breakdown voltage and the forward voltage. This arrangement of the Zener diodes already results in a stabilized output voltage. The diodes should have the same breakdown voltage.
Für den Einsatz elektronischer Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen ist eine oft verwendete Schutzart die sogenannte "Eigensicherheit" der elektronischen Betriebsmittel. Ein Stromkreis ist eigensicher, wenn durch ihn ein explosionsfähiges Gemisch weder betriebsmäßig noch im Fehlerfall durch elektrische Funken oder thermische Einflüsse unter festgelegten Prüfbedingungen entzündet werden kann. Grundlegende Maßnahmen bei der Eigensicherheit sind somit die Begrenzung von Spannung, Strom, Leistung und Temperatur auf sichere Werte im Betrieb sowie unter definierten Fehlerbedingungen. Beispielsweise aus dem Buch "Explosionsschutz durch Eigensicherheit" von Wolf-Dieter Dose, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesell-For the use of electronic devices in potentially explosive areas, a frequently used type of protection is the so-called "intrinsic safety" of the electronic equipment. A circuit is intrinsically safe if it cannot ignite an explosive mixture through electrical sparks or thermal influences under defined test conditions, either during operation or in the event of a fault. Basic measures for intrinsic safety are therefore the limitation of voltage, current, power and temperature to safe values during operation and under defined fault conditions. For example, from the book "Explosion protection through intrinsic safety" by Wolf-Dieter Dose, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesell-
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schaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1993, Seiten 55 bis 58, ist die Begrenzung der Spannung mit redundant ausgeführten Zenerdioden bekannt, die zwischen die beiden potentialführenden Leitungen geschaltet werden. Diese Anordnung wird auch "Zenerdioden-Barriere" bezeichnet. Für elektrische Betriebsmittel der Kategorie "ia" werden drei Dioden, d. h. zweifache Redundanz, verwendet. Für elektrische Betriebsmittel der Kategorie "ib" genügen zwei Dioden.schaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1993, pages 55 to 58, the limitation of the voltage with redundant Zener diodes, which are connected between the two potential-carrying lines, is known. This arrangement is also called a "Zener diode barrier". For electrical equipment in category "ia", three diodes are used, i.e. double redundancy. For electrical equipment in category "ib", two diodes are sufficient.
Zur Bereitstellung einer zum Betrieb eines elektronischen Geräts in eigensicheren Bereichen erforderlichen Gleichspannung aus einer Wechselspannung wird üblicherweise ein Brückengleichrichter, in dessen Brückenzweigen einfache Dioden angeordnet sind, verwendet. Durch eine nachgeschaltete Zenerdioden-Barriere wird verhindert, daß die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters einen in einem eigensicheren Stromkreis vorgegebenen Maximalwert nicht übersteigt.A bridge rectifier with simple diodes arranged in its bridge branches is usually used to provide the direct voltage required to operate an electronic device in intrinsically safe areas from an alternating voltage. A downstream Zener diode barrier prevents the output voltage of the bridge rectifier from exceeding a maximum value specified in an intrinsically safe circuit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begrenzung für eigensichere Betriebsmittel zu schaffen, die mit geringem Aufwand realisierbar ist.The invention is based on the object of creating a circuit arrangement for voltage rectification and limitation for intrinsically safe equipment, which can be implemented with little effort.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begrenzung der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.To achieve this object, the new circuit arrangement for voltage rectification and limitation of the type mentioned at the outset has the features specified in the characterizing part of claim 1. Advantageous further developments are described in the subclaims.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß zum Aufbau einer Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begrenzung in eigensicheren Stromkreisen nur wenige Bauelemente benötigt werden. Sie beruht auf der Erkenntnis, daß bereits mit einem Brückengleichrichter, der in den vier Brückenzweigen jeweils eine Zenerdiode aufweist, deren Zenerspannung derart bemessen ist, daß die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters einen in einem eigensicheren Stromkreis vorgegebenen MaximalwertThe invention has the advantage that only a few components are required to construct a circuit arrangement for voltage rectification and limitation in intrinsically safe circuits. It is based on the knowledge that a bridge rectifier with a Zener diode in each of the four bridge branches, whose Zener voltage is dimensioned such that the output voltage of the bridge rectifier does not exceed a maximum value specified in an intrinsically safe circuit, can be used to achieve a voltage of
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nicht übersteigt, eine einfache Redundanz der Begrenzungselemente gegeben ist. Die einfache Redundanz genügt bei elektronischen Betriebsmitteln mit Eigensicherheit der Kategorie "ib".
5does not exceed 1000 V, a simple redundancy of the limiting elements is provided. The simple redundancy is sufficient for electronic equipment with intrinsic safety of category "ib".
5
Durch die geringere Zahl der verwendeten Bauelemente wird zudem weniger Platz zum Aufbau der Schaltungsanordnung in einem elektronischen Gerät benötigt, so daß das elektronische Gerät kompakter aufgebaut werden kann oder mehr Platz für weitere Schaltungsteile zur Verfügung steht.Due to the smaller number of components used, less space is required to construct the circuit arrangement in an electronic device, so that the electronic device can be constructed more compactly or more space is available for additional circuit components.
Die Schaltungsanordnung ermöglicht bereits bei Verwendung von insgesamt nur fünf Zenerdioden eine Spannungsgleichrichtung und Spannungsbegrenzung mit zweifacher Redundanz der Begrenzungsdioden, wenn der Brückengleichrichter mit vier Zenerdioden versehen und zur Begrenzung der Ausgangsspannung des Brückengleichrichters eine weitere Zenerdiode verwendet wird.The circuit arrangement enables voltage rectification and voltage limitation with double redundancy of the limiting diodes even when using a total of only five Zener diodes if the bridge rectifier is provided with four Zener diodes and a further Zener diode is used to limit the output voltage of the bridge rectifier.
Um bei zweifacher Redundanz die Ausgangsspannung sowohl in positiver als auch in negativer Polarität auf einen zulässigen Maximalwert zu beschränken, war bisher eine Zenerdioden-Barriere mit sechs Zenerdioden, die in drei Zweigen jeweils paarweise gegeneinander geschaltet werden, erforderlich. Zur Gleichrichtung mit einem Brückengleichrichter wurden weitere vier Dioden benötigt. In vorteilhafter Weise genügen bei der neuen Schaltungsanordnung hierzu bereits sechs Zenerdioden, von welchen vier im Brückengleichrichter verwendet und zwei zwischen den potentialführenden Leitern der Ausgangsseite gegeneinander geschaltet werden.
30In order to limit the output voltage to a permissible maximum value in both positive and negative polarity with double redundancy, a Zener diode barrier with six Zener diodes, each of which is connected in pairs in three branches, was previously required. For rectification with a bridge rectifier, another four diodes were required. In an advantageous way, the new circuit arrangement already requires six Zener diodes, four of which are used in the bridge rectifier and two of which are connected in pairs between the potential-carrying conductors on the output side.
30
Vorteilhaft kann zur Stabilisierung der Ausgangsspannung des Brückengleichrichters ein Kondensator vorgesehen werden.Advantageously, a capacitor can be provided to stabilize the output voltage of the bridge rectifier.
Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.The invention as well as its embodiments and advantages are explained in more detail below with reference to the drawings in which embodiments of the invention are shown.
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Es zeigen:Show it:
Figur 1 eine Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begrenzung in eigensicheren Stromkreisen mit einfacher Redundanz,
Figur 2 eine Schaltungsanordnung mit zweifacher Redundanz undFigure 1 shows a circuit arrangement for voltage rectification and limitation in intrinsically safe circuits with simple redundancy,
Figure 2 shows a circuit arrangement with double redundancy and
Figur 3 eine Schaltungsanordnung mit zweifacher Redundanz und bipolarer Spannungsbegrenzung.Figure 3 shows a circuit arrangement with double redundancy and bipolar voltage limitation.
Eine Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begrenzung besteht gemäß Figur 1 aus einem Brückengleichrichter, der in seinen vier Brückenzweigen jeweils eine Zenerdiode 1, 2, 3 bzw. 4 aufweist. Dieser Brückengleichrichter wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel von einem Transformator 5 mit Wechselspannung gespeist. In der positiven Halbwelle, d. h. in der Phase, wenn das Potential auf einer Leitung 6 oberhalb des Potentials einer Leitung 7 liegt, werden die Zenerdioden 2 und 3 in Durchlaßrichtung, die Zenerdioden 1 und 4 in Sperrichtung betrieben. Die positive Halbwelle wird somit auf die Ausgangsseite des Brückengleichrichters, die durch zwei Leitungen 8 und 9 gebildet wird, Übertragen. Übersteigt die Ausgangsspannung zwischen den Leitungen 8 und 9 die um die Durchlaßspannung der Dioden 2 oder 3 verminderte Zenerspannung der Zenerdiode 1 bzw. 4, so wird die Zenerdiode 1 bzw. die Zenerdiode 4 leitend und verhindert ein weiteres Ansteigen der Spannung. Bei geeigneter Wahl der Zenerspannungen ist damit sichergestellt, daß die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters einen in einem .eigensicheren Stromkreis vorgegebenen Maximalwert nicht übersteigt. Fällt eine der beiden Zenerdioden 1 oder 4 aus, so wird die Ausgangsspannung noch durch die verbleibende Zenerdiode 4 bzw. 1 begrenzt. Es liegt also eine einfache Redundanz der Spannungsbegrenzung vor, die für Eigensicherheit der Kategorie "ib" ausreicht. In bekannter Weise wird durch den Brückengleichrichter auch eine negative Halbwelle zwischen den Leitungen 6 und 7 als positive Halbwelle auf die Leitungen 8 und 9 der Ausgangsseite übertragen. Für eine zuver-According to Figure 1, a circuit arrangement for voltage rectification and limitation consists of a bridge rectifier which has a Zener diode 1, 2, 3 or 4 in each of its four bridge branches. In the embodiment shown, this bridge rectifier is fed with alternating voltage by a transformer 5. In the positive half-wave, i.e. in the phase when the potential on a line 6 is above the potential on a line 7, the Zener diodes 2 and 3 are operated in the forward direction and the Zener diodes 1 and 4 in the reverse direction. The positive half-wave is thus transferred to the output side of the bridge rectifier, which is formed by two lines 8 and 9. If the output voltage between the lines 8 and 9 exceeds the Zener voltage of the Zener diode 1 or 4 reduced by the forward voltage of the diodes 2 or 3, the Zener diode 1 or the Zener diode 4 becomes conductive and prevents the voltage from rising any further. With a suitable choice of Zener voltages, it is ensured that the output voltage of the bridge rectifier does not exceed a maximum value specified in an intrinsically safe circuit. If one of the two Zener diodes 1 or 4 fails, the output voltage is still limited by the remaining Zener diode 4 or 1. There is therefore a simple redundancy of the voltage limitation, which is sufficient for intrinsic safety in category "ib". In a known manner, the bridge rectifier also transfers a negative half-wave between lines 6 and 7 as a positive half-wave to lines 8 and 9 on the output side. For a reliable
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lässige Begrenzung der Ausgangsspannung sorgen nun die Zenerdioden 2 und 3, und zwar wiederum mit einfacher Redundanz. Zur Stabilisierung der Ausgangsspannung dient ein Kondensator 10, der zwischen die Leitungen 8 und 9 geschaltet ist. 5The Zener diodes 2 and 3 ensure a safe limiting of the output voltage, again with simple redundancy. A capacitor 10, which is connected between the lines 8 and 9, serves to stabilize the output voltage. 5
In Figur 2 ist ebenfalls eine Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichrichtung und -begrenzung dargestellt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zwischen die Leitungen 8 und 9 auf der Ausgangsseite des Brückengleichrichters ist zusätzlich eine Zenerdiode 11 geschaltet, die zur Begrenzung der Ausgangsspannung auf den vorgegebenen Maximalwert in Sperrichtung betrieben wird. Dadurch wird eine zweifache Redundanz der Begrenzungselemente erreicht. Die Zenerspannung der Zenerdiode 11 kann um die Durchlaßspannung der Zenerdioden 1 ... 4 niedriger als deren Zenerspannung sein. Dadurch sprechen alle Begrenzungsdioden bei derselben Überspannung an.Figure 2 also shows a circuit arrangement for voltage rectification and limitation. Identical parts are given the same reference numerals. A Zener diode 11 is also connected between lines 8 and 9 on the output side of the bridge rectifier, which is operated in the reverse direction to limit the output voltage to the specified maximum value. This achieves a double redundancy of the limiting elements. The Zener voltage of the Zener diode 11 can be lower than the Zener voltage of the Zener diodes 1 ... 4 by the forward voltage of these. This means that all limiting diodes respond to the same overvoltage.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß Figur 3 ist der Ausgang des Brückengleichrichters mit zwei gegeneinandergeschalteten Zenerdioden 12 und 13 versehen. Damit wird eine bipolare Begrenzung der Ausgangsspannung auf einen vorgegebenen Maximalwert sichergestellt. Auch hier liegt zweifache Redundanz vor, wie sie für Eigensicherheit der Kategorie "ia" gefordert wird.In the circuit arrangement according to Figure 3, the output of the bridge rectifier is provided with two Zener diodes 12 and 13 connected in opposition to one another. This ensures a bipolar limitation of the output voltage to a predetermined maximum value. Here, too, there is double redundancy, as required for intrinsic safety of category "ia".
Claims (4)
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