Барьер искрозащиты для цифровых искробезопасных цепей связи

Область техники
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в электронных и электротехнических устройствах.
Уровень техники
Известные из уровня техники устройства искрозащиты основаны на применении полупроводниковых приборов, стандартная схема которых конструктивно включает в себя стабилитроны, которые проводят излишки напряжения на землю, резисторы, которые ограничивает ток в цепи и плавкие предохранители, защищающие цепь от повреждения. Также известны способы обеспечения искрозащиты с помощью активных полупроводниковых элементов и трансформаторов, но в данном случае трансформаторы, выполняют роль гальванической развязки для разделения искроопасных и искробезопасных цепей (т.к. в соответствии с требованиями п.8.2.3 ГОСТ 31610.11-2014 все обмотки трансформаторов, питающие искробезопасные цепи должны быть отделены друг от друга) и для преобразования напряжения, но не используются для ограничения энергии.
Известен планарный трансформатор на основе многослойной печатной платы (Патент РФ №2345510, опубликован 27.01.2009), в котором первичная обмотка трансформатора собрана в пакет с вторичной обмоткой, которая располагается над первичной обмоткой и сформирована путем сбора в пакет плоских обмоток, соединенных электрически послойно последовательно.
Заявленная полезная модель основана на том, что в качестве токоограничивающего устройства по переменному току в искробезопасной цепи используется планарный сигнальный трансформатор с ограниченной площадью сечения сердечника, на входе которого установлено устройство защиты трансформатора и центральный вывод вторичной (внешней) обмотки трансформатора подключается к устройству обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС).
Сущность полезной модели
Задачей заявленной полезной модели является подключение искробезопасных цепей во взрывоопасной зоне.
Технический результат заявленного решения заключается в обеспечении искробезопасности цепей во взрывоопасной зоне.
Технический результат заявленного решения достигается за счет того, что барьер искрозащиты для цифровых искробезопасных цепей связи, содержащий устройство обеспечения электромагнитной совместимости и токоограничивающего устройства по переменному току, при этом токоограничивающее устройство по переменному току в искробезопасной цепи выполнено в виде планарного сигнального трансформатора с малой площадью сечения сердечника, на входе которого установлено устройство защиты планарного сигнального трансформатора, а центральный вывод вторичной обмотки планарного сигнального трансформатора подключен к устройству обеспечения электромагнитной совместимости.
В частном случае реализации заявленного технического решения дополнительно содержит три планарных сигнальных трансформатора, соединённых между собой и с упомянутым планарным сигнальным трансформатором параллельно, и соединенных входом с устройством защиты планарного сигнального трансформатора и выводом с устройством обеспечения электромагнитной совместимости.
2
В частном случае реализации заявленного технического решения максимальная площадь сердечника трансформатора не превышает 25 мм.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего технического решения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленной полезной модели с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг.1 - схематическое изображение барьера;
Фиг.2 - график зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля;
Фиг.3 - вариант реализации заявленного технического решения с подключением до 4х трансформаторов;
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - устройство защиты трансформатора; 2 - планарный трансформатор; 3 - устройство обеспечения ЭМС.
Раскрытие полезной модели
Полезная модель основана на том, что в качестве токоограничивающего устройства по переменному току в искробезопасной цепи используется планарный сигнальный трансформатор с ограниченной площадью сечения сердечника, на входе которого установлено устройство защиты трансформатора и центральный вывод вторичной (внешней) обмотки трансформатора подключается к устройству обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС).  Конструкция барьера основана на насыщении сердечника планарного сигнального трансформатора.
2
Ограниченная площадь сердечника не позволяет создать магнитный поток большой величины в трансформаторе и на выходе получить большую мощность не удастся. Ограничение площади сердечника 25 мм обусловлено тем, что для передачи цифрового сигнала во взрывобезопасную зону достаточно обеспечить напряжение не более 5В и ток менее 500мА
Устройство защиты трансформатора предназначено для токовой и тепловой защиты трансформатора, может состоять из различных радиоэлектронных компонентов, таких как плавкие предохранители, автоматические выключатели, прерыватели термопредохранители и т.д.
Устройство обеспечения ЭМС предназначено для снятия отражения сигнала, образующегося в витой паре, одним из способов исполнения устройства обеспечения ЭМС является установка согласующих резисторов также дополнительно могут использоваться супрессоры и другие радио-электронные компоненты
Плоские первичные (внутренние) и вторичные (внешние) обмотки планарного трансформатора располагаются на разных слоях печатных плат, на которых они установлены, таким образом, все обмотки трансформатора, передающие сигналы на искробезопасные цепи или питающие искробезопасные цепи, отделены от других обмоток и располагаются одна над другой, и имеют твердую изоляцию между друг другом для обеспечения электрических зазоров, путей утечки и разделения цепей.
Применение планарного сигнального трансформатора обеспечивает разное затухание сигнала на разных частотах, т.е. трансформатор работает как фильтр. На низких частотах сигнал поглощают, а на высоких пропускают. Планарный сигнальный трансформатор выполнен с малой площадью сечения сердечника. Вторичная (внешняя) обмотка планарного сигнального трансформатора имеет сверхнизкие показатели емкости, что позволяет напрямую подключать искробезопасные цепи к трансформатору, в том числе для взрывоопасных сред для подгруппы IIC.
В заявленной полезной модели на входе первичной (внутренней) обмотке трансформатора устанавливается устройство защиты, состоящее из различных электронных компонентов. Данное устройство защиты предназначено для отключения цепи до момента нагрева трансформатора до максимальной рабочей температуры, при этом следует учесть запас по нагрузке элементов цепи не более чем на 2/3, в соответствии с п. 7.1 ГОСТ 31610.11-2014.
Также, сопротивление первичной (внутренней) обмотки трансформатора (R1) не должно превышать отношения максимального входного напряжения (Ui) к току срабатывания устройства защиты трансформатора, а в свою очередь сопротивление вторичной (внешней) обмотки трансформатора должно быть не больше, чем сопротивление первичной (внутренней) обмотки (R2 ≤ R1).
Максимальная площадь сердечника трансформатора подбирается таким образом, чтобы максимальная выходная мощность Ро трансформатора соответствовала мощности в режиме насыщения сердечника (т.е. при Ii) и не превышала мощность, необходимую для искробезопасной цепи. Таким образом, зная необходимые параметры искробезопасной цепи (Ро) можно рассчитать необходимую максимальную площадь сердечника для создания требуемых искробезопасных параметров. Площадь сердечника не должна превышать 25 мм кв.
Ограничение площади сердечника обусловлено тем, что для передачи цифрового сигнала во взрывобезопасную зону достаточно обеспечить напряжение не более 5В и ток менее 500мА.
Описание принципа ограничения энергии:
В первичную (внутреннюю) обмотку подается напряжение, методом индукции во вторичной (внешней) обмотке образуется ток, величина которого находится рядом с величиной насыщения сердечника трансформатора. При насыщении сердечника его относительная магнитная проницаемость резко уменьшается, что влечёт за собой пропорциональное уменьшение индуктивности
В области малых и средних индукций, чем выше напряжённость магнитного поля - тем выше магнитная индукция в сердечнике, этот диапазон является диапазоном рабочих индукций. При дальнейшем повышении напряжённости магнитного поля магнитная проницаемость начинает быстро падать, пока не наступает момент, при котором дальнейший рост магнитной индукции в сердечнике стопорится на определённой величине, в спецификациях это величина приводится, как значение магнитной индукции насыщения, т.е. величина, при которой значение магнитной проницаемости падает до неприлично малых значений.
График зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля, представление на Фиг. 2.
Таким образом, явление насыщения сердечника трансформатора состоит в том, что, несмотря на увеличение тока в первичной (внутренней) обмотке, магнитный поток в сердечнике, достигнув некоторой максимальной величины, далее практически не изменяется, соответственно на вторичную (внешнюю) обмотку не поступает ток выше, чем ток насыщения сердечника.
В трансформаторе режим насыщения приводит к тому, что передача энергии из первичной (внутренней) обмотки во вторичную (внешнюю) частично прекращается. Это и обеспечивает искрозащиту, т.е. трансформатор не пропустит из первичной (внутренней) обмотки на вторичную (внешнюю), следовательно, и из вторичной (внешнюю) обмотки на выход энергию большую, чем на которую он рассчитан.
Как известно из определения, искробезопасность «i» это вид взрывозащиты, основанный на ограничении электрической энергии в оборудовании и соединительной проводке, которые подвергаются воздействию потенциально взрывоопасной среды, до значения ниже уровня, вызывающего воспламенение от искрения или нагрева (определение дано в п.3.1.1 ГОСТ 31610.11-2014).
Таким образом можно сделать вывод о том, что трансформатор в режиме насыщения может ограничивать передаваемую энергий (мощность, Ро), а значит может обеспечивать искробезопасность.
В случае применения данного вида искрозашиты в оборудовании при оценке соответствия необходимо пользоваться стандартом на специальной вид взрывозащиты «s» и/или вид защиты искробезопасная электрическая цепь «i».
Для обеспечения электромагнитной совместимости на центральном выводе вторичной (внешней) обмотки трансформатора устанавливается устройство, состоящее из различных электронных компонентов, это позволяет подключать искробезопасные цепи в том числе во взрывоопасных средах подгруппы IIC.
При необходимости для обеспечения искрозащиты к устройству защиты трансформатора и к устройству обеспечения ЭМС можно подключать до 4-х трансформаторов, как показано на фиг. 3.