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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Redundante EX-Strombegrenzung


Autor: schopf16 (Gast)
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Hallo zusammen

Für eine EX-sichere Anwendung muss ich eine Redundante Strombegrenzung 
bauen. Am Ausgang sollten 8V bei rund 500mA sein. 8V müssen konstant 
sein, 500mA dürfen nicht überschritten werden (Spannung regelt danach 
zurück).
Wegen der EX-sicherheit muss die Schaltung 3 mal vorhanden sein, um 
Ausfälle zu reduzieren.

Wenn ich nun 3 Strombegrenzer in Serie schalte, habe ich die 3fache 
Spannung und wenn ich sie parallel schalte, den dreifachen Strom. Wenn 
ich aber jede Schaltung nur auf einen drittel der Leistung auslege, habe 
ich beim Ausfall einer Schaltung nicht mehr genügend Leistung 
(EX-sicherheit nicht mehr erfüllt).

Der ganze Print verfügt über eine 24V DC Speisung.

Hat da einer von euch ein Beispiel, wie man das lösen könnte?

Autor: Christian S. (rockcher)
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Ich bin nicht sehr erfahren mit EX-Anwendung, doch zumindest habe ich 
mich mit der Thematik schon mal beschäftigen dürfen ...
Nach meiner Einschätzung wäre die einfachste Möglichkeit:
- drei Z-Dioden parallel zur Spannungsbegrenzung
- ein Serienwid. von R = U/I = 24V/0.5A = 48 Ohm

Hieraus ergeben sich jedoch wieder neue Herausforderungen, die Leistung 
des Serienwid. muss 24V*0.5A*1.5 = 18W betragen ...

Autor: Michael A. (schopf16)
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die Idee mit dem Seriewiderstand hatte ich auch schon, aber der Gedanke, 
18 Watt zu verbrennen lief mir klat den Rücken ab :-)

Aber ist es evtl. möglich, mit einem zusätzlichen DC/DC Wandler, die 
Spannung auf ein Niveau zu regeln, dass dann nicht 18Watt verbrannt 
werden müssen. Ich denke so an einen "Standart auf 12V Regler".

Autor: Christian S. (rockcher)
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18 Watt ist natürlich jede Menge, jedoch ist fraglich ob die 24V oder 
die 8V begrenzt werden müssen ...

Ich denke, dass ich die Problematik noch nicht ausreichend verstanden 
habe, daher wäre es sinnvoll diese nochmals zu schildern und hierbei 
zwischen Funktionlität (z.Bsp. Ausgang 5V / 100mA) und EX-Schutz (z.Bsp. 
Anforderung 8V / 500mA) zu unterscheiden.

Ein DC/DC-Wandler dürfte alleinig nicht den ausreichend sein, da solch 
ein Bauelement ein Halbleiterbauteil ist und dieses aus EX-Sicht im 
Fehlerfall jeden beliebigen Zustand einnehmen kann (z.Bsp Kurzschluß 
zwischen Ein- und Ausgang). Jedoch erreichst Du mit einem Schaltregler 
von 24V auf 12V (8V), dass der Ausgangsstrom von 500mA nahezu einen 
Eingangsstrom von 250mA hervorruft. Somit ist es möglich den Serienwid. 
am Eingang des Schaltreglers von 48 auf 96 Ohm zu erhöhen und somit 
erhält man dei erforderliche Leistung des Wid. zu 24^2/96*1.5 = 9W.

Aber wie ich schon erwähnte, wäre eine ausführlichere 
Problembeschreibung hilfreich ...

Wenn die passive Begrenzung nicht möglich ist, wäre eine Stromregelung 
mittels Längstransistor und Strommessung (Diff. verstärker) denkbar. 
Diese wäre aber auf jeden Fall redundant auszulegen ...

Autor: Michael A. (schopf16)
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Natürlich kann ich mein Projekt etwas näher beschreiben.

Ich entwickle ein Betriebsmittel zu einem Messgerät, welches sich im 
EX-Bereich befindet. Die Datenkommunikation erfolgt aus 
kompatibilitätsgründen mittels RS422. Ebenfalls muss das Messgerät mit 
Spannung (8.2V) versorgt werden. Das jetzige Messgerät benötigt bei 8.2V 
rund 150mA bis 250mA, je nachdem, was es gerade leisten muss.
Zur Zeit ist aber ein neues in Entwicklung, dessen Leistung ich noch 
nicht kenne. Ich will mir da nichts verbauen, deshalb gehe ich von 
maximal 500mA aus, welches mein Betriebsmittel leisten muss/sollte.

Die Kommunikation mittels RS422 steht im grossen und ganzen. Die 
Spannungspegel da betragen um die 5.4V bei 300mA (maximal). Das wird 
abgesegnet.
Das Betriebsmittel wird mit 24VDC versorgt. Mein Problem ist jetzt, wie 
kann ich aus diesen 24VDC eine redundante 8.2V Speisung machen. Am 
besten nich galvanisch getrennt, aber die vom Prüfamt haben mir 
angegeben, dass dies nicht unbedingt nötig sei (also vermutlich 
weglassen und somit günstiger produzieren).

Habe ich das richtig verstanden, dass du den Widerstand vor den DC/DC 
Wandler setzten würdest, oder nach den Wandler, wo er von 12V auf 8V 
begrentzt?

Habe zur Zeit leider keinen Zugang zu einem Scanner, um eine 
einleuchtendere Handzeichnung zu posten.

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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Strombegrenzung gibt es eigentlich nur bei Ex i Anwendungen.
Hier wird meist mit einem R/ZZZ/R Netzwerk gearbeitet.
R1 Strombegrenzung zum Schutz der Z-Dioden
Z1-3 Spannungsbegrenzung
R2 Strombegrenzung nach aussen

Zur Leistung: Da du nach Exi maximal 2/3 belasten darfst, muss der Shunt 
noch ein wenig mehr Leistung können.

Gruß Anselm

p.S.: Liege ich richtig mit Ex i?

Autor: Michael A. (schopf16)
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das ich das nicht geschrieben habe, zzz

du liegst natürlich völlig richtig, es handelt sich um ein [EEX ia] IIC 
Betriebsmittel

EEx = EX-Sicher
ia  = Schutzniveau (weitere sind ib und ic)
II  = Gruppe 2
C   = Weiss ich gerade nicht mehr mit bestimmtheit.

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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Meine Lösung wäre einfach den nach der EN60079-11(war doch die Exi, 
oder?)maximal zulässigen Kurzschlusstrom für die Berechnung zu nehmen.
Waren es unter 12V nicht 3,3A(morgen mal in die Norm gucken)

Wenn du 8V 500mA brauchst, berechnest du den Spannungsabfall bei 
Nennstrom am Widerstand und gehts mit 8V plus Spannungsabfall aus deinem 
Ex-i Netzteil heraus, auf der Nutzschaltung kommt dann noch ein 8V 
Längsregler zu Einsatz(Dropspannung beachten).


Nur noch eine dumme Frage, wenn du da etwas bauen sollst, willst du es 
auch in Betrieb nehmen? Ohne Prüfung durch eine benannte Stelle und der 
dauraus resultierenden EG-Baumusterprüfbescheinigung geht es da nicht.

Gruß Anselm

Autor: Michael A. (schopf16)
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Habe die Norm gleich vor mir. Bei 12.1V beträgt der Kurzschlusstrom mit 
1.5 Sicherheitsfaktor 3.33A.

Die Norm fängt aber erst bei 12.1V an, ich weiss also nicht, wie der 
maximale Kurzschlussstrom bei 8V ist, aber auf jedenfall weit über 
meinen benötigten 500mA.

Das Gerät muss selbstverständlich geprüft werden, ich werde auch mit 
diesen Leuten vom Prüfinstitut einmal zusammen sitzen, aber ich kann da 
ja nicht mit lehren Händen auftauche. Ich habe zwar die Normen EN60079-0 
und EN60079-11 durchgelesen, aber um die zu begreiffen muss man Jurist 
sein, und nicht Elektroniker. Ich suche deshalb mögliche Beispiele, wie 
ich ein EXi sicheres Netzgerät bauen kann.

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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Hehe,

da geht es dir wie mir. Zu Anfang fragte ich einen Ingenieur wer denn 
solche unmöglichen Texte verfasst. Seine Antwort war: "Ich zum Beispiel"
Ess muss wohl eine andere Spezies sein ;)
Hier hilft dir nur ein Ing. der sich sehr gut mit der Exi auskennt, und 
bereit ist mit dir zu reden....

Aber diese Normen sind sehr leicht zu verstehen, wenn man sich die Zeit 
dafür nimmt.
Ein Benutzerhandbuch für ein technisches Gerät im Vergleich mit ENxxxx 
entspricht fast der Differenz Bild- -> Zeit- Zeitungen.

So wie ich es oben beschrieben habe, werde ich 2009 ein Gerät zur 
Prüfung einreichen. Ich gehe davon aus dass ich mit meiner Sichtweise 
korrekt liege.

Gruß Anselm

p.S.: Vergusskapselung wäre auch nicht schlecht.

Autor: Michael A. (schopf16)
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Habe noch ein etwa 20 Jahre altes Schema gefunden. Ich bin mir fast 
sicher, dass das eine Konstantstromquelle mit OP ist. Dafür würde der OP 
N11, sowie die Widerstände R65 und R82 sein, zusammen mit der Zenerdiode 
V27. Wofür aber die anderen Bauteile sind, dass wissen wohl nur die 
Götter.

Ich gehe davon aus, des es nicht möglich ist, von deinem EXi 
Spannungsausgang ein Schema zu bekommen? Meines sollte eigentlich auch 
irgendwann Frühling oder Sommer 2009 zur Prüfung.

Autor: Christian S. (rockcher)
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Gut, nun habe auch ich die Problematik verstanden. Du benötigst 
(funktionell) einen Ausgang mit 8.2V bis zu 500mA, welcher eigensicher 
sein soll. Diese 500mA funktionell scheinen mir doch recht hoch zu sein. 
Zunächst müsste in den Zündkurven nachgeschlagen werden, ob dieses 
Wertepärchen noch zulässig ist bzw. welcher aus EX-Sicht der max. 
zulässige Strom bei einer Spannung von 8.2V ist.

Prinzipiell wirst Du auch aus energetischer Sicht sicherlich einen 
DC/DC-Wandler verwenden für die Konvertierung der 24V zu 8.2V. Die 
Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers wird üblicherweise mit drei Z-Dioden 
"geklemmt". Die Strombegrenzung mittels Serienwid. halte ich jedoch nun 
für fraglich, ist jedoch abhängig von den Erkenntnissen aus den 
Zündkurven.

Der Einsatz eines Serienwid. ist nur sinnvoll, wenn ein ausreichend 
großer Abstand zwischen funktionellen Strombedarf und max. Strom aus 
EX-Sicht vorhanden ist. Der Serienwid. muss für den max. Strom aus 
EX-Sicht ausgelegt werden und sollte aus funktioneller Sicht möglichst 
wenig Leistung umsetzen. Bedenke, dass jeder Serienwid. einen 
Spannungsabfall hervorruft, egal ob vor dem DC/DC-Wandler oder nach der 
Spannungsbegrenzung.

Bsp.: Ein Serienwid. am Eingang des DC/DC-Wandlers von 50 OHM führt bei 
einem Strom von 250mA zu einem Spannungsabfall von 12.5V --> am Eingang 
des DC/DC-Wandlers liegen statt 24V nur noch 11.5V ... 
(Teufelskreislauf)

So, ich wage mal zu Behaupten, sollten die Parameter 8.2V und 500mA so 
stehen bleiben, dass eine Strombegrenzung mit einem Serienwid. nicht zum 
gewünschten Erfolg führen wird. So bleibt Dir wahrscheinlich nur eine 
"aktive" Strombegrenzung (natürlich redundant ausgelegt) übrig.

Autor: Michael A. (schopf16)
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> Gut, nun habe auch ich die Problematik verstanden. Du benötigst
> (funktionell) einen Ausgang mit 8.2V bis zu 500mA, welcher eigensicher
> sein soll.
Genau

> Diese 500mA funktionell scheinen mir doch recht hoch zu sein.
> Zunächst müsste in den Zündkurven nachgeschlagen werden, ob dieses
> Wertepärchen noch zulässig ist bzw. welcher aus EX-Sicht der max.
> zulässige Strom bei einer Spannung von 8.2V ist.
Ich habe dies einmal nachgeschlage, in der Norm die ich habe und da 
fängt die ganze Geschichte erst bei etwa 12V an. Ich finde zu 8.2V keine 
Daten

> Prinzipiell wirst Du auch aus energetischer Sicht sicherlich einen
> DC/DC-Wandler verwenden für die Konvertierung der 24V zu 8.2V. Die
> Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers wird üblicherweise mit drei Z-Dioden
> "geklemmt".
Das wäre mein Plan für die Spannungsbegrentzung.

> Die Strombegrenzung mittels Serienwid. halte ich jedoch nun
> für fraglich, ist jedoch abhängig von den Erkenntnissen aus den
> Zündkurven.
Ich weiss, dass ich eine Strombegrentzung einbauen muss. 
Selbstverständlich redundant (3 fach). Dabei würde ich aber gerne auf 
eine Serienwiderstand verzichten.

> So, ich wage mal zu Behaupten, sollten die Parameter 8.2V und 500mA so
> stehen bleiben, dass eine Strombegrenzung mit einem Serienwid. nicht zum
> gewünschten Erfolg führen wird. So bleibt Dir wahrscheinlich nur eine
> "aktive" Strombegrenzung (natürlich redundant ausgelegt) übrig.
Ich glaube dass die Schaltung im Ahnang (Beitrag 01.12.2008 22:24) eine 
aktive Strombegrenzung ist, doch verstehe ich da knapp die Hälfte. Rein 
nur Halbleiter als Strombegrenzung sind, so glaube ich, nicht zulässig.

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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Halbleiter sind nach der Norm als störanfällig (Bei IC´s der 
ungünstigst-mögliche Zustand an allen Pins) zu betrachten. Deswegen auch 
die Redundanz.
Aber Zündkurve guck ich morgen auch mal. Nich dass meine "einfache" Idee 
plötzlich doch nicht zulässig ist ;)

Ansonsten wird sicherlich kein Hersteller seine Tricks herausgeben, 
schliesslich hat er jede Menge Euronen aufgebracht um seine Entwicklung 
durch die Zulassung zu bekommen.

Gruß Anselm

Autor: Anselm (Gast)
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Zündkurve siehe Anhang A.2. bei einfachen Stromkreisen anzuwenden.
Seite 71 Bild A.2 sagt aus dass du bei 30V Uo und 40 Ohm in Reihe 200µF 
haben darfst.
Da aber nach der Z-Diode erheblich weniger Spannung vorhanden ist, kann 
man mit der Kapazität höher gehen.
Andere Möglichkeit ist den Strom elektronisch zu begrenzen. Da könnte 
man sich Gedanken machen. Wird nur sehr viel aufwendiger als ein "ich 
verwandel allles überschüssige in Wärme" RZR-Netzwerk.

Gruß Anselm

Autor: Esko (Gast)
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@Anderegg: Das ist eine Crowbar-Schaltung zur Spannungsbegrenzung. Schon 
redundant ausgelegt.

Autor: Michael A. (schopf16)
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Danke Esko, jetzt seh ich das auch. Übersteigt die Spannung am Ausgang 
des OP einen gewissen Wert, schaltet der Thyristor durch und macht einen 
Kurzschluss, was wiederum eine Sicherung auslösen sollte.

Sowas könnte ich am Ausgang meiner Schaltung brauchen, so als letzte 
Prüfstelle.

Autor: Christian S. (rockcher)
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Sollte eine Sicherung für Dich in Betracht kommen, dann hast Du Deine 
geforderte Strombegrenzung inklusive. Die Sicherung dient hierbei als 
Dein Strom begrenzendes Element. Dann hast Du noch die Aufgabe die 
spannungsbegrenzenden Z-Dioden leistungsgerecht auszulegen ...

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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Wobei die Sicherung mit im Verguss sein muss.
In diesem Fall macht man eine "Vorsicherung" die von aussen zugänglich 
ist hinein.
Die Norm sagt dass ein Ex i Netzteil entweder im Verguss sein muss, oder 
so eingepackt dass es beim öffnen unwiederbringlich ausser Betrieb geht.
Soll halt verhindern dass der Handwerker von Nebenan die Schaltung 
verändert (Sicherung mit Alufolie umwickeln zb...)und so die 
Eigensicherheit gefährdet.

@Christian
Da wäre ich mir nicht so sicher, der Sicherungsnennstrom ist ja um 
einiges geringer als der Auslösestrom.
Im Zweifelsfalle prüft dass Institut dann mit dem Funkenprüfgerät ob es 
gut ist ;)

Gruß Anselm

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