改进型齐纳式安全栅设计方案

需要指出的是，上述介绍的这种简单的齐纳式防爆栅有两个不完善的地方。首先，限流电阻R的存在，对仪表正常范围内的工作仍有影响，这些电阻值取小了起不到限流作用，取大了影响仪表的恒流特性。理想的限流电阻在安全范围内应不起限流作用，即阻值为零；而当电流一旦超出安全范围，其阻值骤增（动态电阻值为无穷大），起强烈的限制作用。显然，用固定电阻来限流是达不到这样的要求的。这个防爆栅的另一个不足之处是负端需要接地，通常一个信号电路只允许一点接地，若有两点以上接地会造成信号通过大地短路或形成干扰。现在如果在防爆栅上把一个端直接接了地，那么其他地方，如变送器、调节器等就不能再有接地点，这在实际应用中往往是不可行的。

图4-4-19是一种改进型的齐纳式防爆栅。与前面全刻度指示电路的基本电路相比，在两处做了重要改进：

图4-4-19 改进型齐纳式防爆栅原理图

1）这里增加了一套由齐纳二极管VS₃、VS₄和快速熔丝F₂、F₂′组成的限压电器，并取消了直接接地点，改为在背靠背连接的齐纳二极管中点接地。这样，在正常工作范围内，这些齐纳二极管都不导通，防爆栅是不接地的。在事故情况下，输入出现过电压时，这些齐纳二极管导通，对输入过电压进行限制，并通过中间接地点，保证两根信号线上分别对地的电压不超过一定的数值。(www.xing528.com)

2）这里用晶体管限流电路取代基本电路中的固定电阻，可以达到近于理想的限流效果。在图4-4-19中，限流电路用虚线框着，实际装置中为确保安全，用这样完全相同的两套电路串联，这里只画出了其中的一套。这个电路的工作原理是这样的，场效应管VT₃工作于零偏压，作为恒流源向晶体管VT₁提供足够的基极电流，保证VT₁在信号电流为4～20mA的正常范围内处于饱和导通状态。因此，在正常工作时，防爆栅的电阻很小，信号电流可十分流畅地通过。在事故状态下，如果电路电流超过24mA，则电阻R₁上的压降将超过0.6V，于是晶体管VT₂导通，使恒流管VT₃的电流一部分流向VT₂，由于VT₁的基极电流被减小，VT₁将退出饱和，在集电极—发射极间呈现一定电阻值，起到限流作用。随着电路电流的进一步加大，限流作用也愈加强烈，最终把电流限制在不超过30mA。

这种经过改进的齐纳式防爆栅因对上面提到的两个问题有了较好的解决，在生产上有一定的应用。

总的来说，齐纳式防爆栅结构简单，价格便宜，防爆定额可以做得比较高，可靠性也比较好，被认为是防爆栅的一个重要的发展方向。不过，这种防爆栅要求特殊的快速熔丝，由于齐纳二极管过载能力低，所以对熔丝的熔断时间和可靠性要求非常高，当电流超过安全值时，要求它能很快熔断。一般要求流过的电流为额定电流10倍时，应在1ms的时间内熔断。这种快速熔丝的制造有一定难度，对选材和制造工艺有很高的要求。即使满足了这些要求，熔丝的特性仍可能比较分散。由于熔丝是一次性使用的元件，无法进行逐个测试，所以有人认为这种防爆栅的可靠性是不理想的。