ИСКРОБЕЗОПАСНОЕ УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ Российский патент 2018 года по МПК H02H9/04 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ

[001] Данная заявка заявляет приоритет предварительной заявки на патент США №61/896475, поданной 28 октября 2013 г., и озаглавленной "VOLTAGE CLAMP DEVICE FOR INTRINSIC SAFETY", которая полностью включена в данную заявку посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[002] Данное изобретение относится к искробезопасным устройствам, а более конкретно, к искробезопасному устройству ограничения напряжения с ограничением температуры и/или мощности.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[003] Для некоторых производственных процессов, например в нефтяной промышленности, требуются устройства для работы во взрывоопасных средах или других опасных условиях. Использование данных устройств часто нормируются "искробезопасным" стандартом, например, ISA-60079-11, с помощью которого определяются условия для устройств, работающих во взрывоопасных средах. Как правило, данные условия стремятся создать либо путем ограничения количества энергии, накопленной в цепях устройства (например, путем ограничения напряжений на конденсаторах или токов на катушках индуктивности), либо ограничения разряда накопленной энергии (например, путем сокращения расстояния между компонентами) таким образом, что разряд энергии не послужит причиной воспламенения. К тому же, в случае со стандартом ISA-60079-11 цепь должна оставаться безопасной при обычном режиме работы даже в случае, если имеет место некоторого количества коротких замыканий.

[004] В некоторых стандартах отдельные аппараты (или устройства) рассматриваются иначе, чем узел из компонентов, являющийся частью более крупного аппарата. Например, в стандарте ISA-60079-11 шунтирующий узел безопасности, изготовленный в виде отдельного аппарата должен соответствовать другому разделу стандарта, по сравнению с шунтирующим узлом безопасности, который является частью более крупного аппарата. Различные требования для отдельного аппарата могут позволить производителям выпускать устройства с полезными свойствами, например, конструктивно компактные корпуса. Тем не менее, данные автономные устройства ограничения напряжения могут также выходить из строя из-за перегрева, что делает их использование нецелесообразным для многих применений.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[005] Искробезопасное устройство ограничения напряжения содержит шину регулятора, шину заземления и узел шунтирующего регулятора. Узел шунтирующего регулятора соединен с шиной регулятора и с шиной заземления, и при этом содержит один или более регулирующих блоков. Кроме того, узел шунтирующего регулятора выполнен с возможностью ограничения напряжения, приложенного к шине регулятора и шине заземления, для ограничения напряжения до безопасного значения. Искробезопасное устройство ограничения напряжения также содержит термически активируемый модуль, выполненный с возможностью активации одного или более ограничивающих блоков для снижения мощности, рассеиваемой по меньшей мере на одном из регулирующих блоков в случае, если температура по меньшей мере одного из регулирующих блоков превышает пороговое значение.

[006] В другом варианте реализации изобретения устройство управления процессом содержит модуль устройства, содержащий первую и вторую клеммы, причем в случае, если к первой и второй клеммам модуля устройства прикладывается напряжение, модуль устройства накапливает энергию. Устройство управления процессом также содержит два или более устройства ограничения напряжения, которые электрически соединены с модулем устройства. Каждое устройство ограничения напряжения соединяют параллельно другим устройствам ограничения напряжения, причем каждое устройство ограничения напряжения выполнено с возможностью ограничения напряжения, приложенного к модулю устройства для безопасного ограничения напряжения. Кроме того, каждое устройство ограничения напряжения содержит узел шунтирующего регулятора, содержащий один или более регулирующих блоков, а также термически активируемый модуль, выполненный с возможностью активации одного или более ограничивающих блоков для снижения мощности, рассеиваемой по меньшей мере на одном из регулирующих блоков в случае, если значение температуры по меньшей мере одного из регулирующих блоков превышает пороговое значение.

[007] В другом варианте реализации изобретения искробезопасное устройство ограничения напряжения содержит шину регулятора, шину заземления и узел шунтирующего регулятора. Узел шунтирующего регулятора соединен с шиной регулятора и шиной заземления, и при этом содержит один или более регулирующих блоков. Кроме того, узел шунтирующего регулятора выполнен с возможностью ограничения напряжения, приложенного к шине регулятора и шине заземления, для ограничения напряжения до безопасного значения. Искробезопасное устройство ограничения напряжения также содержит токочувствительный резистор, выполненный с возможностью активации одного или более ограничивающих блоков для снижения мощности, рассеиваемой по меньшей мере на одном из регулирующих блоков, в случае, если ток, протекающий через резистор, превышает пороговое значение.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[008] На Фиг. 1 проиллюстрирована структурная схема типовой системы, в которой реализованы основное и резервное устройства ограничения напряжения.

[009] На Фиг. 2A проиллюстрирована типовая схема, которая может быть частью искробезопасного устройства ограничения напряжения, а также реализованная в виде одного из устройств ограничения напряжения, проиллюстрированных на Фиг. 1.

[0010] На Фиг. 2B проиллюстрирована другая типовая схема, которая может быть частью искробезопасного устройства ограничения напряжения, а также реализованная в виде одного из устройств ограничения напряжения, проиллюстрированных на Фиг. 1.

[0011] На Фиг. 3A-3C проиллюстрированы структурные схемы корпусов устройства, в которых могут размещать искробезопасное устройство ограничения напряжения, например, схему, проиллюстрированную на Фиг. 2.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] Данное изобретение относится к искробезопасным устройствам ограничения напряжения, а более конкретно, к предотвращению теплового повреждения модулей устройства, регулирующего напряжение в автономном корпусе устройства с помощью блоков, ограничивающих температуру и/или мощность. В частности, устройство ограничения напряжения согласно данному описанию соответствует функциональным требованиям, предъявляемым к шунтирующему регулятору напряжения, и в то же время позволяет использовать искробезопасный корпус компактных размеров. В вариантах реализации изобретения термически ограничивающие модули используются для автоматического понижения напряжения ограничения устройства и уменьшения рассеиваемой мощности на одном или более регулирующих блоках. Таким образом, ограничивающие блоки могут защищать модули устройства, регулирующие напряжение, от повреждения, связанного с перегревом, при поддержании критического для безопасности максимального ограничения напряжения.

[0013] Со ссылкой на Фиг. 1, типовая система 100, сконструированная в соответствии с одним из вариантов реализации данного изобретения содержит устройство управления процессом 106 и источник электропитания 108. В данной реализации изобретения основное и резервное устройства ограничения напряжения 102a и 102b могут ограничивать напряжение, подаваемое на модуль устройства 110, для соответствующего безопасного ограничения напряжения. Благодаря включению двух устройств ограничения напряжения 102a и 102b, система 100 может соответствовать требованию искробезопасного (IS) стандарта, согласно которому при выходе из строя одного из устройств 102a и 102b ограничение напряжения осуществляется в течение продолжительного времени. Типовое устройство ограничения напряжения описано более подробно со ссылкой на Фиг. 2А и 2B.

[0014] В то время как на Фиг. 1 основное и резервное устройства ограничения напряжения 102a и 102b проиллюстрированы расположенными внутри устройства управления процессом 106, данные устройства могут быть внутренними или внешними по отношению к устройству управления процессом. Устройства ограничения напряжения 102a и 102b могут быть модульными устройствами, которые могут быть отделяемо соединены с устройством управления процессом 106, или устройства ограничения напряжения 102a и 102b могут быть автономными устройствами, которые могут быть электрически соединены с устройством управления процессом с помощью любой комбинации электрических выводов. Как правило, устройства ограничения напряжения 102a и 102b могут быть соединены с устройством управления процессом 106 с помощью любых подходящих внутренних или внешних электрических соединений, клемм и т.д. или быть его частью.

[0015] Устройство управления процессом 106 может содержать переключатель, передатчик, термопару, электромагнитный клапан и т.д., а, в частности, устройство управления процессом 106 может содержать модуль устройства 110. Модуль устройства 110 может быть компонентом схемы или узлом из компонентов любого типа, которые накапливают энергию в случае, если к модулю устройства 110 прикладывается напряжение. Например, модуль устройства 110 может содержать один или более конденсаторов или катушек индуктивности. Хотя на Фиг. 1 проиллюстрирован только один модуль устройства 110, очевидно, что устройство управления процессом может содержать любое количество компонентов, способных накапливать энергию.

[0016] Устройство управления процессом 106 может быть частью технологической установки, системы добычи нефти или газа, нефтеперерабатывающего завода, системы HVAC (отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха), и т.д., в которой устройство управления процессом 102а подвергается воздействию опасных условий, таких как среды с взрывоопасными газами, химические вещества, пары, пыль, волокна и т.д. По этой причине устройство управления процессом 106 может быть искробезопасным устройством управления процессом 106 или устройство управления процессом 106 может быть изготовлено искробезопасным в сочетании с устройствами ограничения напряжения 102а и 102b.

[0017] Типовой источник электропитания 108 может осуществлять электропитание устройства управления процессом и может быть функционально связан с устройством управления процессом 106 и устройствами ограничения напряжения 102а и 102b, причем устройство управления процессом 106 и устройства ограничения напряжения 102а и 102b соединены параллельно (например, с помощью двух выводов устройства управления процессом 106 и двух выводов устройств ограничения напряжения 102а и 102b). Источник электропитания 108 обеспечивает электропитание различных компонентов, а в некоторых случаях может обеспечивать рабочее напряжение для других цепей или компонентов. Например, источник электропитания 108 может обеспечивать выходные положительное и отрицательное напряжения, которые, в свою очередь, подаются на шины устройств ограничения напряжения 102а и 102b, и модуль устройства 110. Положительное и отрицательное напряжения проиллюстрированы на Фиг. 1 как +V и -V, соответственно, но также очевидно, что положительное напряжение может быть приложено к одному из устройств ограничения напряжения 102а и 102b, а также модулю устройства 110, а другие шины могут быть заземлены.

[0018] Источник электропитания 108, например, может быть подключен к магистральной сети электропитания или источник электропитания 108 может быть подключен к источнику батарейного питания. Также источник электропитания 108 в некоторых случаях может быть выполнен с возможностью преобразования электрического сигнала (например, 24 В) в различные напряжения (например, ±3,3 В, ±10 В), причем различные напряжения могут быть приложены к шинам устройств ограничения напряжения 102а и 102b и модуля устройства 110.

[0019] В некоторых вариантах реализации изобретения устройства ограничения напряжения 102а и 102b содержат: (i) регулирующие блоки 112а и 112b, соответственно, например, блоки, являющиеся частью узла шунтирующего регулятора напряжения (транзисторы, усилители, источники опорного напряжения, и т.д.); (ii) блоки, чувствительные к изменению мощности 114а и 114b, соответственно, например, термисторы, другие датчики температуры, датчики тока, и т.д.; и (iii) один или более ограничивающих блоков 116а и 116b, соответственно, например, диоды, транзисторы, и т.д., выполненные с возможностью избирательного уменьшения рассеиваемой мощности в регулирующих блоках 112а и 112b, в зависимости от активации блоков, чувствительных к изменению мощности, 114а и 114b. Кроме того, хотя в данной заявке блоки 114а и 114b описываются как "чувствительные к изменению мощности", в качестве альтернативы для управления могут использоваться ограничивающие блоки 116а и 116b, зависящие от значения другого параметра, такого как значение параметра, связанного или имеющего отношение к температуре регулирующих блоков 112а и 112b, как описано ниже со ссылкой на Фиг. 2А и 2B.

[0020] Регулирующие блоки 112а и 112b могут содержать любые компоненты соответствующих узлов шунтирующего регулятора напряжения в устройстве ограничения напряжения 102а и 102b. Регулирующий блок 112а может содержать, например, транзистор, усилитель и/или источник опорного напряжения устройства, расположенный между шиной регулятора и шиной заземления устройства ограничения напряжения 102а. В некоторых случаях выход из строя (например, вследствие перегрева) регулирующего блока 112а может привести к тому, что устройство ограничения напряжения 102а будет не в состоянии ограничивать напряжение (например, приложенное к модулю устройства 110) до безопасного напряжения ограничения.

[0021] Для предотвращения выхода из строя регулирующих блоков 112а и 112b из-за перегрева регулирующие блоки 112а и 112b могут быть соединены с блоками, чувствительными к изменению мощности 114а и 114b (как проиллюстрировано на Фиг. 2А). Соединение между одним из регулирующих блоков 112а и 112b и соответствующим блоком, чувствительным к изменению мощности, 114а или 114b может включать термическое соединение между компонентами. Например, термическое соединение может включать термальную площадку или термопроводящее вещество для содействия передаче тепла от одного из регулирующих блоков 112а и 112b к соответствующим блокам, чувствительным к изменению мощности, 114а или 114b.

[0022] Благодаря обеспечению теплопередачи от одного из регулирующих блоков 112а и 112b к соответствующим блокам, чувствительным к изменению мощности, 114а и 114b, блок, чувствительный к изменению мощности, 114а или 114b может быть активирован (например, при определенном пороговом значении температуры). В случае активации блоки, чувствительные к изменению мощности, 114a и 114b могут активировать соответствующие ограничивающие блоки 116а и 116b. Ограничивающие блоки 116а и 116b могут содержать любые подходящие компоненты схемы (например, диоды, транзисторы и резисторы), электрически соединенные с узлами шунтирующего регулятора напряжения устройств ограничения напряжения 102а и 102b, таким образом, что ограничивающие блоки 116а и 116b снижают рассеивание мощности регулирующих блоков 112а и 112b. Благодаря снижению рассеиваемой мощности на регулирующих блоках 112а и 112b, ограничивающие блоки 116а и 116b могут снижать температуру регулирующих блоков 112а и 112b и предотвращают перегрев.

[0023] Наряду с активацией блоков, чувствительных к изменению мощности, 114а и 114b, в случае, если блоки, чувствительные к изменению мощности, 114а и 114b обнаруживают достаточное снижение температуры регулирующих блоков 112а и 112b, ограничивающие блоки 116а и 116b могут быть деактивированы. То есть, при снижении температуры регулирующих блоков 112а и 112b (например, до порогового значения) соответствующие блоки, чувствительные к изменению мощности 114а и 114b, а также ограничивающие блоки 116а и 116b могут быть деактивированы.

[0024] В других вариантах реализации изобретения, блоки 114а и 114b термически не соединены с регулирующими блоками 112а и 112b, и вместо этого регулируют температуру регулирующих блоков 112а и 112b, в зависимости от мощности, рассеиваемой на блоках 112а и 112b. Например, в одном варианте реализации изобретения блоки 114а и 114b могут обнаруживать напряжение на переходе транзистора в регулирующих блоках 112а и 112b. В то время как блоки 114а и 114b обнаруживают уменьшение напряжения на переходе транзистора, блоки 114а и 114b могут активировать ограничивающие блоки 116а и 116b для уменьшения мощности, рассеиваемой регулирующими блоками 112а и 112b.

[0025] В другом варианте реализации изобретения блоки 114а и 114b выполнены с возможностью обнаружения приложенного напряжения и тока, протекающего через регулирующие блоки 112а и 112b, соответственно, и вычисления мощности, рассеиваемой на регулирующих блоках 112а и 112b. В случае если мощность превышает пороговое значение, блоки 114а и 114b могут активировать ограничивающие блоки 116а и 116b, соответственно, для ограничения напряжения (например, за счет уменьшения напряжения ограничения) и/или тока, тем самым снижая мощность, рассеиваемую на блоках 112а и 112b и, соответственно, повышая температуру, соответствующую рассеиваемой мощности.

[0026] В любом случае ограничение температуры регулирующих блоков 112а и 112b может содействовать размещению компонентов устройств ограничения напряжения 102а и 102b в компактном и автономном корпусе устройства. Данный компактный корпус устройства позволяет использовать устройства ограничения напряжения 102а и 102b в применениях, для которых важным критерием является конструктивное пространство, занимаемое устройствами 102а и 102b. Кроме того, устройства ограничения напряжения 102а и 102b могут соответствовать требованиям искробезопасного стандарта для отдельного аппарата, позволяющим реализовать устройства ограничения напряжения 102а и 102b с меньшей избыточностью, чем в противном случае понадобилась бы для более сложного аппарата.

[0027] На Фиг. 2А проиллюстрирована типовая схема 200, которая может быть размещена в корпусе в качестве искробезопасного устройства ограничения напряжения, например, одного из устройств ограничения напряжения 102а и 102b. Несмотря на то, что типовая схема 200 описана ниже со ссылкой на определенные компоненты, очевидно, что для обеспечения функций ограничения напряжения и ограничения температуры схемы 200 могут использоваться любые приемлемые значения и типы компонентов.

[0028] Типовая схема 200 содержит узел шунтирующего регулятора 201, выполненный с возможностью ограничения напряжения, приложенного к шине регулятора 202 и шине заземления 204, для ограничения напряжения безопасного значения. Узел шунтирующего регулятора может содержать один или более регулирующих блоков, например, один или более резисторов 206, усилитель 208, источник опорного напряжения 210, соединенный с неинвертирующим входом усилителя 208, и транзистор 212, соединенный с выходным выводом усилителя 208. В типовой схеме 200 усилитель 208 управляет транзистором 212 в зависимости от разности между напряжением опорного источника 210 и напряжением обратной связи от шунтирующей шины регулятора 202. По этой причине большая часть мощности, рассеиваемой в типовой схеме 200, будет рассеиваться на транзисторе 212, причем в некоторых случаях может повышаться температура транзистора 212.

[0029] Такое повышение температуры транзистора 212, в одном или в более регулирующих блоках узла шунтирующего регулятора 201 может активировать термически активируемый модуль 214, термически соединенный с транзистором 212 (как проиллюстрировано в блоке 216). Активация термически активируемого модуля 214 может соответствовать различным изменениям термически активируемого модуля 214. Например, термически активируемым модулем 214 может быть терморезистор NTC, сопротивление которого уменьшается при увеличении температуры транзистора 212. При этом, следует понимать, что термически активируемый модуль 214 может содержать любой подходящий датчик температуры, например терморезистор РТС, интегральную схему, и т.д. Кроме того, для сравнения фактической температуры транзистора 212 с заданной максимальной температурой или пороговым значением в схеме 200 может использоваться усилитель.

[0030] После активации термически активируемый модуль 214 активирует один или более ограничивающих блоков, таких как транзистор 218, для снижения мощности, рассеиваемой на регулирующих блоках, таких как транзистор 212. В одном примере сценария, в котором терморезистор NTC реализован как термически активируемый модуль 214, термистор 214 функционирует как часть температурно-зависимого делителя напряжения между шиной регулятора и шиной заземления, изменяя напряжение на базе транзистора 218, при этом может уменьшиться сопротивление (т.е., увеличиться напряжение на базе транзистора 218), достаточное для "открытия" транзистора 218. То есть, падение напряжения на термически активируемом модуле 214 может уменьшиться таким образом, что увеличится разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора 218.

[0031] Такое увеличение может привести к "более жесткому" открытию транзистора 212 (например, ток транзистора будет увеличиваться), что обусловлено усилителем 208. В результате ограничиваемое напряжение между шиной регулятора 202 и шиной заземления 204 упадет, что позволит уменьшить мощность, рассеиваемую на транзисторе 212, а также температуру транзистора 212.

[0032] Типовая схема 200 может дополнительно содержать ряд других компонентов (например, резисторы и диоды) для подстройки значений или диапазонов тока, напряжения, и т.д. В одном случае схема 200 может быть реализована для применений, в которых используются искробезопасные цепи 4-20 мА. Фактически, ток, протекающий в типовой схеме 200, может быть менее 25 мА, даже если цепь 200 рассчитана на максимальный ток 130 мА. При штатной работе схема 200 может быть выполнена с возможностью шунтирования при достижении тока 25 мА. При этом схема 200 может снизить напряжение шунтирования (например, с помощью ограничивающих блоков) для защиты регулирующих блоков от нештатного режима работы при токе до 130 мА. Кроме того, схема 200 может быть рассчитана на ток до 195 мА для соответствия завышенным показателям безопасности, предусмотренным требованиями стандарта IS.

[0033] В то время как на Фиг. 2А проиллюстрированы транзисторы с биполярным переходом, следует учесть, что транзисторы 212 и 218 не обязательно должны быть биполярными и, вместо этого, схема 200 может быть спроектирована с полевыми транзисторами технологии металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор).

[0034] В одном из случаев 6В шунтирующий регулятор, шунтирующий 25 мА, может рассеивать 150 мВт. Фактически типовая схема 200 может быть в состоянии рассеять данное количество мощности без использования режима ограничения температуры (например, активации термически активируемого модуля 214). Если максимальной температурой пробоя транзистора 212 является 150°С и устройство работает при окружающей температуре 85°С, тепловое сопротивление пробоя для внешних условий 233°С/Вт будет приемлемым для обеспечения рабочего значения 30°С. Кроме того, если схема 200 рассчитана на 195 мА, для схемы 200 необходимо только снизить напряжение безопасного ограничения (например, с помощью ограничивающих блоков, таких как транзистор 216) ниже 1,43 В для поддержания температуры ниже температуры пробоя 150°С при таких нештатных условиях эксплуатации.

[0035] На Фиг. 2B проиллюстрирован другой вариант реализации изобретения, в котором для управления тепловой нагрузкой регулирующего блока используется измерение тока. Проиллюстрированная на Фиг. 2B типовая схема 220 функционирует таким же образом, как и схема на Фиг. 2А. Таким образом, при штатной работе схемы 220 усилитель 208 аналогичным образом управляет регулирующим транзистором 222 на основании разности между опорным напряжением и напряжением обратной связи от шины регулятора 202. Большая часть мощности, рассеиваемой в схеме 220, будет рассеиваться на транзисторе 222. Если ток, шунтируемый транзистором 222, является достаточно низким (например, ниже 25 мА), транзистор 224 будет находиться в режиме отсечки. Если значение тока, шунтируемого транзистором 224 с помощью резистора 226, является достаточным для того, чтобы падение напряжения на резисторе 226 было достаточным для открытия транзистора 224, транзистор 224 открывает транзистор 222, тем самым уменьшая напряжение ограничения схемы 220. Благодаря управляемой током работе транзистора 224, ограничивающей напряжение, управляют значением нормального напряжения управления шунтом (обеспечивается сочетанием усилителя 208 и транзистора 222) до тех пор, пока шунтируемый ток не упадет ниже уровня, при котором открывается транзистор 224. Например, схема 220 выполнена с возможностью шунтирования 20 мА при расчетном ограничении напряжении 6 В. Если ток, протекающий в схеме 220, составляет 200 мА, напряжение шины регулятора 202 упадет ниже 1,4 В. Уменьшение управляемого током напряжения ограничения приводит к ограничению мощности, рассеиваемой на транзисторе 222.

[0036] В других вариантах реализации изобретения напряжение на резисторе 226 может быть усилено для более точного управления током, при котором падает напряжение ограничения. В еще других вариантах реализации изобретения может быть реализована схема умножителя для понижения напряжения настолько, насколько необходимо для ограничения мощности. Тем не менее, данные улучшения не являются строго необходимыми для достижения конкретной функции ограничения выделения тепла.

[0037] На Фиг. 3A-3C проиллюстрированы типовые конфигурации корпусов устройства, в которых могут быть размещены искробезопасные устройства ограничения напряжения. Например, устройства ограничения напряжения 102а и/или 102b или схемы 200 или 220 могут быть размещены с помощью способа, подобного проиллюстрированному на Фиг. 3А-3С.

[0038] На Фиг. 3А проиллюстрирована структурная схема одного типового корпуса устройства 300, в котором может быть размещено искробезопасное устройство ограничения напряжения. Корпус устройства 300 содержит набор компонентов 302, выполненных с возможностью обеспечения функции ограничения напряжения и ограничения тепловыделения, такой как набор компонентов (например, схема 200), проиллюстрированный на Фиг. 2А или 2B. Источник электропитания, такой как источник электропитания 108, может подавать напряжение на компоненты 302 с помощью двух выводов 310 и 312, и эти два вывода 310 и 312 могут, в данном типовом корпусе 300, являться единственными двумя внешними выводами для корпуса устройства 300. В некоторых случаях корпус устройства 300 может быть изготовлен или собран таким образом, чтобы соблюдались стандарты искробезопасности. Например, корпус устройства 300 может быть пыленепроницаемым и/или величина зазора и механические требования могут соответствовать конкретному применению. Кроме того, материалы, используемые для изготовления корпуса устройства 300, могут включать материалы, выбранные в зависимости от электрических характеристик. В частности, материалы корпуса устройства 300 могут удовлетворять определенным электростатическим условиям для предотвращения накопления статического заряда.

[0039] Корпус устройства с двумя выводами, такой как корпус устройства 300, может также соответствовать различным требованиям искробезопасности, по сравнению со схемой ограничения напряжения, являющейся частью более крупного устройства. Кроме того, для соответствия стандарту искробезопасности корпус устройства 300 может быть параллельно соединен с резервным устройством ограничения напряжения с помощью двух выводов 310 и 312. Резервное устройство ограничения напряжения может содержать компоненты, аналогичные компонентам корпуса устройства 300, но, в основном, может содержать любой подходящий узел из компонентов, выводов и соединений.

[0040] На Фиг. 3B проиллюстрирована структурная схема другого типового корпуса устройства 320, в котором может быть размещено искробезопасное устройство ограничения напряжения. Как в случае с корпусом устройства 300, корпус устройства 320 содержит набор компонентов 322, выполненный с возможностью обеспечения функций ограничения напряжения и ограничения тепловыделения. В данном случае блок питания может подавать напряжение для компонентов 322 через три или более выводов 324 и 326 (три вывода, четыре вывода, пять выводов и т.д.).

[0041] Три или более выводов 324 и 326 корпуса устройства 320 могут быть короткозамкнутыми или соединены иным образом, так что лишь два вывода 328 и 330 подключены к компонентам 322 корпуса устройства 320. Притом, что на Фиг. 3В выводы 324 и 326 проиллюстрированы как соединенные внутри корпуса устройства 320, очевидно, что три или более выводов 324 и 326 могут быть объединены или соединены снаружи или внутри корпуса устройства 320.

[0042] Корпус устройства, такой как корпус устройства 320, может отвечать конкретным частям искробезопасного стандарта, обусловленного включением более двух электропроводящих выводов. Фактически, выводы 324 и 326 могут быть избирательно короткозамкнутыми вместе внутри или снаружи, при этом, не оказывая влияния на функцию ограничения напряжения корпуса устройства 320, тем самым обеспечивая соответствие требованиям стандарта. Кроме того, для обеспечения искробезопасности корпус устройства 320 может быть резервным в сочетании с другими устройствами ограничения напряжения.

[0043] На Фиг. 3С проиллюстрирована структурная схема еще одного типового корпуса устройства 360, в котором может быть размещено искробезопасное устройство ограничения напряжения. Корпус устройства 360 также содержит набор компонентов 362, выполненных с возможностью обеспечения функций ограничения напряжения и ограничения тепловыделения. При этом дополнительно к двум выводам 364 и 366 корпус устройства 360 содержит один или более дополнительных выводов 368. Один или более дополнительных выводов 368 может включать неиспользуемые выводы интегральной схемы (ИС), выводы корпуса мощного транзистора и т.д.

[0044] Притом, что корпус устройства 360 содержит дополнительные выводы 368, дополнительные выводы 368 могут не быть электрически подключены к любому другому компоненту схемы, (как отображено с помощью "X" на Фиг. 3D). Таким образом, корпус устройства 360 может обеспечивать дополнительные выводы 368, которые могут не влиять на функцию ограничения напряжения корпуса устройства 360 и, в некоторых случаях, обеспечивает соответствие корпуса устройства 360 определенным стандартам искробезопасности. Например, для определенного искробезопасного стандарта может потребоваться, чтобы интегральная схема оставалась безопасной при любой комбинации электрически закороченных выводов.

[0045] Притом, что на Фиг. 3А-3С проиллюстрировано определенное количество различных компонентов, выводов и типов соединения, очевидно, что корпус устройства может содержать любое число и комбинацию компонентов, выводов и типов соединения. Например, корпус устройства может содержать два, три, пять, и т.д. выводов, соединенных как с шиной регулятора, так и с шиной заземления, или корпус устройства может содержать ноль, один, два, и т.д. электропроводящих выводов в дополнение к двум основным электропроводящим выводам (например, соединенным с источником электропитания).

Изобретение относится к искробезопасным устройствам, а более конкретно к искробезопасному устройству ограничения напряжения с ограничением температуры и/или мощности. Технический результат – повышение надежности работы. Искробезопасное устройство ограничения напряжения содержит шину регулятора, шину заземления, а также узел шунтирующего регулятора. Узел шунтирующего регулятора соединен с шиной регулятора и с шиной заземления и содержит один или более регулирующих блоков. Узел шунтирующего регулятора выполнен с возможностью ограничения напряжения, приложенного к шине регулятора и шине заземления для ограничения напряжения до безопасного значения. Искробезопасное устройство ограничения напряжения также содержит блок, чувствительный к изменению мощности, выполненный с возможностью активации одного или более ограничивающих блоков для снижения мощности, рассеиваемой на соответствующих регулирующих блоках без повышения напряжения ограничения. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Искробезопасное устройство ограничения напряжения, содержащее:

шину регулятора;

шину заземления;

узел шунтирующего регулятора, соединенный с шиной регулятора и шиной заземления, содержащий один или более регулирующих блоков, причем узел шунтирующего регулятора выполнен с возможностью ограничения напряжения, приложенного к шине регулятора и шине заземления для ограничения напряжения до безопасного значения; и

блок, чувствительный к изменению мощности, содержащий:

(1) термически активируемый модуль, выполненный с возможностью активации одного или более ограничивающих блоков для снижения мощности, рассеиваемой по меньшей мере на одном из регулирующих блоков в случае, если температура по меньшей мере одного из регулирующих блоков превышает пороговое значение, или

(2) токочувствительный резистор, выполненный с возможностью активации одного или более ограничивающих блоков для снижения мощности, рассеиваемой по меньшей мере на одном из регулирующих блоков в случае, если ток, протекающий через резистор, превышает пороговое значение.

2. Искробезопасное устройство ограничения напряжения по п. 1, отличающееся тем, что шина регулятора, шина заземления, узел шунтирующего регулятора, блок, чувствительный к изменению мощности и ограничивающие блоки размещены в корпусе устройства с двумя выводами.

3. Искробезопасное устройство ограничения напряжения по п. 1, отличающееся тем, что шина регулятора, шина заземления, узел шунтирующего регулятора, блок, чувствительный к изменению мощности, и ограничивающие блоки размещены в корпусе устройства, содержащем более двух выводов.

4. Искробезопасное устройство ограничения напряжения по п. 3, отличающееся тем, что корпусом устройства является корпус мощного транзистора.

5. Искробезопасное устройство ограничения напряжения по п. 1, отличающееся тем, что блок, чувствительный к изменению мощности, является термически активируемым модулем, причем термически активируемый модуль термически непосредственно соединен с одним или более регулирующих блоков.

6. Искробезопасное устройство ограничения напряжения по п. 1, отличающееся тем, что блок, чувствительный к изменению мощности, является термически активируемым модулем, причем термически активируемый модуль термически соединен с одним или более регулирующими блоками с помощью вещества для термического соединения.

7. Искробезопасное устройство ограничения напряжения по п. 1, отличающееся тем, что один или более регулирующих блоков содержит первый транзистор, причем один или более ограничивающих блоков содержат второй транзистор.

8. Искробезопасное устройство ограничения напряжения по п. 7, отличающееся тем, что блок, чувствительный к изменению мощности, является токочувствительным резистором, причем токочувствительный резистор выполнен с возможностью активации второго транзистора, благодаря чему в случае, если ток, протекающий через токочувствительный резистор, превышает пороговое значение, первый транзистор переходит в режим насыщения.

9. Устройство управления процессом, содержащее:

модуль устройства, содержащий первую и вторую клеммы, причем модуль устройства накапливает энергию в случае, если между первой и второй клеммами модуля устройства приложено напряжение;

два или более устройства ограничения напряжения, электрически соединенные с модулем устройства, причем каждое устройство ограничения напряжения расположено параллельно другому устройству ограничения напряжения, при этом каждое устройство ограничения напряжения выполнено с возможностью ограничения напряжения для ограничения напряжения до безопасного значения, причем каждое устройство ограничения напряжения содержит:

узел шунтирующего регулятора, содержащий один или более регулирующих блоков, и

блок, чувствительный к изменению мощности, выполненный с возможностью активации одного или более ограничивающих блоков, для снижения мощности, рассеиваемой на по меньшей мере одном из регулирующих блоков в случае, если значение температуры или тока превышает пороговое значение.

10. Устройство управления процессом по п. 9, отличающееся тем, что один или более регулирующих блоков содержат первый транзистор, причем один или более ограничивающих блоков содержат второй транзистор.

11. Устройство управления процессом по п. 10, отличающееся тем, что каждое из двух или более устройств ограничения напряжения помещают в корпус устройства, имеющий два внешних электропроводящих вывода.

12. Устройство управления процессом по п. 10, отличающееся тем, что каждое из двух или более устройств ограничения напряжения помещают в корпус устройства, имеющий два первичных внешних электропроводящих вывода и один или более вторичных внешних электропроводящих вывода.

13. Устройство управления процессом по п. 12, отличающееся тем, что вторичные электропроводящие выводы корпуса устройства не имеют электрического соединения с компонентами, расположенными внутри корпуса устройства.

14. Устройство управления процессом по п. 10, отличающееся тем, что блок, чувствительный к изменению мощности, является термически активируемым модулем, причем термически активируемый модуль содержит датчик температуры и усилитель.

15. Устройство управления процессом по п. 10, отличающееся тем, что блок, чувствительный к изменению мощности, является термически активируемым модулем, причем термически активируемый модуль содержит термистор.

16. Устройство управления процессом по п. 10, отличающееся тем, что блок, чувствительный к изменению мощности, является токочувствительным резистором, причем токочувствительный резистор выполнен с возможностью активации одного или более ограничивающих блоков для снижения мощности, рассеиваемой на одном или более регулирующих блоков в случае, если ток, протекающий через резистор, превышает пороговое значение.

17. Устройство ограничения напряжения, содержащее:

шину регулятора;

шину заземления;

узел шунтирующего регулятора, содержащий один или более регулирующих блоков и выполненный с возможностью ограничения напряжения, приложенного к шине регулятора и шине заземления, для ограничения напряжения до безопасного значения; и блок, чувствительный к изменению мощности, выполненный с возможностью активации одного или более ограничивающих блоков, для снижения мощности, рассеиваемой по меньшей мере на одном из регулирующих блоков.

18. Устройство ограничения напряжения по п. 17, отличающееся тем, что блок, чувствительный к изменению мощности, является термически активируемым модулем, выполненным с возможностью активации одного или более ограничивающих блоков для снижения мощности, рассеиваемой по меньшей мере на одном из регулирующих блоков.

19. Устройство ограничения напряжения по п. 17, отличающееся тем, что блок, чувствительный к изменению мощности, является токочувствительным резистором, выполненным с возможностью активации одного или более ограничивающих блоков, для снижения мощности, рассеиваемой по меньшей мере на одном из регулирующих блоков.

20. Устройство ограничения напряжения по п. 17, отличающееся тем, что устройство ограничения напряжения соответствует требованиям стандартов, установленным для искробезопасных устройств.

21. Устройство ограничения напряжения по п. 17, отличающееся тем, что один или более регулирующих блоков содержит первый транзистор, причем один или более ограничивающих блоков содержат второй транзистор.