提升你的电子设备保护：二极管安全栅优化方案

在本质安全电路和非本质安全电路之间，人们常常设置一种“接口”电路环节，把这两种电路既联系起来又隔离开来。这种“接口”电路环节被称为“安全栅”。

由二极管为主要器件构成的安全栅叫做二极管安全栅（或称“齐纳安全栅”）。

通常情况下，二极管安全栅的电路由熔断器、限流电阻和（并联）二极管（包括齐纳二极管）组成（图6.15）。（并联）二极管用来限制供给本质安全电路的电压，限流电阻用来限制流过本质安全电路的电流，熔断器用来保护二极管。

二极管安全栅的输入回路是非本质安全电路，输出回路是本质安全电路。因而，它是一种关联设备。

1.结构

二极管安全栅可以分为三个设备保护级别：“ia”级、“ib”级和“ic”级。

对于“ia”级和“ib”级，二极管安全栅的电路应该采用两只二极管并联。在考虑故障时，仅考虑这种安全栅只有一只二极管发生故障。限流电阻应该采用可靠电阻器。元器件之间的连接应该采用可靠连接。

图6.15 “ia”级和“ib”级二级管安全栅原理示意图

FU—熔断器 R₁，R₂—可靠限流电阻器 VS₁，VS₂—稳压二极管

对于“ic”级，二极管安全栅的电路可以采用一只二极管，而且可以不考虑故障。限流电阻可以采用普通电阻器，只是它的使用功率不应该大于额定值的三分之二。

不管是哪级设备，熔断器都应该采用快速熔断器。

二极管安全栅应该设置两个独立的接地端子，而且，每一个接地端子都能够连接截面积不小于4mm²的绝缘导线。

二极管安全栅的电路应该被浇封在一个外壳内或者浇封成一个整体。

2.参数计算

二极管安全栅的电路计算主要是计算它的二极管和限流电阻。实质上，这种计算就是二极管稳压电路的计算，只不过在相应的计算中根据防爆安全性能引入适当的安全系数而已。

在这种计算中，已知参数包括额定输出电压；额定输出电流及其波动范围；稳压二极管的标称稳压值，稳压范围，耗散功率，工作电流；输入电压（除特定情况外，通常，电压波动范围按±10%计）。

（1）输出电压与输出电流的关系

根据本质安全电路理论，二极管安全栅的输出电压与输出电流之间存在如下关系：

根据防爆级别（Ⅰ类、ⅡA级、ⅡB级和ⅡC级）的不同，从图6.21所示曲线查找输出电压对应的最小点燃电流。在取1.5倍安全系数的情况下，修正最小点燃电流为

I_S=I_U.d/1.5 （6.6）

式中 I_U.d——输出电压对应的最小点燃电流（A）。

二极管安全栅的输出电流不允许大于这个修正最小点燃电流（I_S）。

（2）稳压二极管VS的选择和计算

大家知道，根据稳压二极管的工作原理，当负载电流一定而输入电压增加时，它的工作点将向最大工作电流点移动；当输入电压一定而负载电流增加时，它的工作点将向最小工作电流点移动，于是，它的端电压就可以保持稳定。

因此，为保证安全栅能够正常工作，它的开路电压应该为稳压二极管的标称稳压值，输出电流不应该大于稳压二极管的最大工作电流（在安全系数为1.5倍时），输出功率（1.5倍输出电流与标称稳压值之积）不应该大于稳压二极管的耗散功率。通常情况下，人们应该根据这些指标来预选合适的稳压二极管。

当稳压二极管初步确定以后，这里的计算主要是指计算它的最大工作电流。在取1.5倍安全系数的情况下，最大工作电流为

I_Z.max=P_Z/1.5U_Z （6.7）

式中 P_Z——稳压二极管的耗散功率（W）；

U_Z——稳压二极管的标称稳压值（V）。

稳压二极管的最小工作电流，通常，按它的工作电流计，即

I_Z.min=I_Z （6.8）

式中 I_Z——稳压二极管的工作电流（A）。

（3）限流电阻R₂的计算

根据欧姆定律，额定输出电压与稳压二极管的标称稳压值之差除以额定输出电流即可得到限流电阻R₂。

假若安全栅短路，则限流电阻R₂处于最严酷（短路电流为I_d=U_Z.max/R₂）的状态下。此时，它的耗散功率最大，即

P_R2=1.5I_d²R₂ （6.9）

式中 I_d——短路电流（A）。

应该指出的是，安全栅短路电流I_d远小于输出电压对应的最小短路电流（I_U.d）。

（4）二极管稳压电路负载电阻（R_L）的计算

在二极管稳压电路中，输出电压是一定的，即稳压二极管的标称稳压值（U_Z）。负载电流的变化即是负载电阻的变化，于是，根据欧姆定律，标称稳压值除以负载电流就可以得到它的负载电阻（R_L）；根据负载电流的波动范围就可以得到它的最大值（R_L.max）和最小值（R_L.min）。

对于二极管安全栅电路（图6.15）来说，这个负载电阻（R_L）包括限流电阻R₂。

（5）限流电阻R₁的计算

限流电阻R₁的计算主要是根据电路理论，首先计算出R₁的取值范围，然后选取R₁的值。

分析和计算可知，R₁的取值范围为

式中 U_I.max，U_I.min——输入电压的最大值和最小值（V）；

U_Z——稳压二极管的标称稳压值（V）；

I_Z.max，I_Z.min——稳压二极管的最大工作电流和最小工作电流（A）；

R_L.max，R_L.min——负载电阻的最大值和最小值（Ω）。

对于二极管安全栅电路（图6.15）来说，这个限流电阻R₁包括熔断器熔断体的冷态电阻R_f。

人们应该在R_1.min<R<R_1.max范围内选取R₁的值，而且，还应该考虑R_f的影响。

R₁的耗散功率为

P_R1=1.5×（U_I.max-U_Z）2/R₁ （6.11）

假若选取的R₁值包含R_f值，则按照式（6.11）计算耗散功率时应该考虑R_f的影响。

这里应该指出的是，在计算R₁的取值范围时，可能会出现R_1.min>R_1.max的情况。这表明，在给定条件下稳压二极管的工作点不在它的工作范围（I_Z.min～I_Z.max）内。此时，人们应该调整相关参数，例如，缩小输出电流的波动范围或（和）增加输入电压的数值，重新计算，直至符合要求。当然，增加稳压二极管的耗散功率也是一种可供选择的方法，只是需要重新选择二极管，有时候，可能会遇到困难。

（6）熔断器FU的选择

按照防爆安全性能的要求，熔断器应该能够连续地通过1.7倍熔断体的电流（这里是指稳压二极管的最大工作电流）。人们可以据此来选择合适的熔断体和熔断器。

（7）输出电阻的确定

当稳压二极管不工作时，从输入端到输出端的电阻称为二极管安全栅的输出电阻。这个电阻等于所有限流电阻（包括熔断体的冷态电阻）之和。

（8）外部匹配参数的确定

二极管安全栅的外部匹配参数是指最大输出电压（U_o）、最大输出电流（I_o）、最大输出功率（P_o）；最大外部电容（C_o）、最大外部电感（L_o）和最大外部电感与电阻比（L_o/R_o）。

在确定最大外部电容（C_o）、最大外部电感（L_o）和最大外部电感与电阻比（L_o/R_o）时，人们应该使用图6.21～图6.26所示的曲线或国家标准GB3836.4《爆炸性环境　第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》的数据表，在施加1.5倍安全系数的情况下，查找相应的数值，以及使用式（6.1）来计算L_o/R_o。

这里应该指出的是，在查找数据时，电压以稳压二极管的最大稳压值为考核值，电流可以以安全栅的最大输出电流为考核值。

原则上，人们可以按照上述讨论的方法来计算二极管安全栅。下面举例说明这种计算。

【例6.7】　计算二极管安全栅（图6.15）的限流电阻和相关参数。已知条件：二极管安全栅的输出电压U_o=9V；输出电流I_o=55～30mA；开路电压：U_o.0=12V；防爆标志为[Exia]ⅡCGa。

分析可知，题设输出电压和输出电流符合本质安全性能要求。其他计算按照下列步骤进行。

第1步：选择和计算稳压二极管VD。

根据题意计算可知，预选2CWXX型稳压二极管。它的稳压范围：12.0～12.6V；工作电流：5mA；耗散功率：1000mW。

按照式（6.7）计算，稳压二极管的最大工作电流I_Z.max为

I_Z.max=1000/（1.5×12）mA≈56mA

按照式（6.8）可知，稳压二极管的最小工作电流即为它的工作电流，I_Z.min=5mA。

第2步：计算可靠限流电阻R₂。

根据题意，可靠限流电阻R₂为

R₂=（12-9）/0.055Ω≈54.5Ω

在实际应用时，限流电阻R₂取55Ω，为可靠电阻，故按式（6.9）计算R₂的耗散功率为

P_R2=1.5×12.6²/55W≈4.33W

第3步：计算负载电阻（R_L）。(www.xing528.com)

根据题意，安全栅的输出电流波动范围为55～30mA，按照欧姆定律计算负载电阻R_L（包括R₂）如下：

当输出电流取最大值时，则负载电阻（R_L）有最小值，即

R_L.min=12/0.055Ω≈218.2Ω

当输出电流取最小值时，则负载电阻（R_L）有最大值，即

R_L.max=12/0.03Ω=400Ω

第4步：计算可靠限流电阻R₁。

根据所选稳压二极管，安全栅的输入电压（U_I）取22V（电压波动范围按±10%计）。

在这里，令U_Z=12V，I_Z.max=56mA，I_Z.min=5mA，U_I.max=24.2V，U_I.min=19.8V，R_L.max=400Ω，R_L.min=218.2Ω。将这些数据代入式（6.10）中计算得到限流电阻R₁的取值范围为

最小值R_1.min≈141.9Ω

最大值R_1.max≈130.0Ω显然，给定条件是不合理的，出现了R_1.min＞fR_1.max。

为了实现R_1.max＞R_1.min，可以采用以下任何一种方案进行调整。

●第1种方案

在题设其他条件不变的情况下，把输出电流的波动范围由55～30mA调整为55～45mA，重新计算。

重新计算的结果表明，可靠限流电阻R₁的取值范围为

最小值R_1.min≈120.8Ω

最大值R_1.max≈130.0Ω这里，取R₁=125Ω（不包括熔断器熔断体的冷态电阻）。

按照式（6.11），计算得到R₁的耗散功率为

P_R1=1.5×（24.2-12）²/125W≈1.79W

在此处和后续的计算中，熔断器熔断体的冷态电阻应该实际测量求得，这里按1Ω计，且电压降包括熔断器熔断体上的电压降。

●第2种方案

在题设其他条件不变的情况下，把输入电压由U_I=22V调整为U_I=28V，重新计算。

重新计算的结果表明，可靠限流电阻R₁的f取值范围为

最小值R_1.min≈218.6Ω

最大值R_1.max≈220.0Ω这里，取R₁=218Ω（不包括熔断器熔断体的冷态电阻）。

按照式（6.11），计算得到R₁的耗散功率为

P_R1=1.5×（30.8-12）²/218W≈2.43W

●第3种方案

在题设其他条件不变的情况下，把稳压二极管的耗散功率由P_Z=1000mW调f整为P_Z=1500mW（更换二极管），重新计算。

重新计算的结果表明，可靠限流电阻R₁的取值范围为

最小值R_1.min≈108.0Ω

最大值R_1.max≈130.0Ω这里，取R₁=125Ω（不包括熔断器熔断体的冷态电阻）。

按照式（6.11），计算得到R₁的耗散功率为

P_R1=1.5×（24.2-12）²/125W≈1.79W

总之，这三种调整方案都可以实现R_1.max>R_1.min，但是各有利弊：第1种方案无需调整输入电压和更换二极管，但是缩小了输出电流的波动范围；第2种方案无需调整输出电流的波动范围f更换二极管，但是提高了输入电压，增大了R₁的耗散功率；第3种方案无需调整输出电流的波动范围和输入电压，但是需要重新选择二极管（有时候，可能会遇到困难）。

这里需要指出的是，在R₁的取值范围内选取R₁的值时，R₁可能是标准值，也可能是非标准值。假若是标准值，人们可以直接选用标准值；假若是非标准值，人们应该通过电阻的串联或（和）并联来获得这个值，不应该选取取值范围以外的任何标准值。然而，不管是什么情况，人们都应该考虑电阻误差可能带来的不利影响。

第5步：计算熔断器FU。

熔断器应该能够连续地通过如下电流：

I=1.7I_Z.max=1.7×56mA=93.5mA

熔断器应该至少承受如下电压：

U=1.5U_I=1.5×22V=33V

应该指出的是，这里可以直接采用0.1A的管式快速熔断器。

第6步：确定输出电阻R_o。

按照第1种方案，输出电阻R_o为

R_o=R_f+R₁+R₂=1Ω+125Ω+55Ω=181Ω

第7步：确定外部匹配参数。

●最大外部电容C_o

由前述可知，安全栅的最高开路电压U_o.m=12.6V。当取1.5倍安全系数时，则修正最高开路电压为

U_o.max=1.5×12.6V=18.9V

对于ⅡC级电路，查图6.23所示曲线得到，电源电压18.9V对应的允许电容约为1.15μF，取最大外部电容C_o=1μF。

●最大外部电感L_o

根据题意，安全栅的最大输出电流I_o=55mA。当取1.5倍安全系数时，则修正最大输出电流为

I_o.max=1.5×55mA=82.5mA

对于ⅡC级电路，查图6.26所示曲线得到，最小点燃电流82.5mA对应的允许电感约为12mH，取最大外部电感L_o=10mH。

●最大输出功率P_o

根据题意，安全栅的最大输出电流I_o=55mA。当取1.5倍安全系数时，则最大输出功率为

P_o=1.5×0.055×12.6≈1.04W

最大输出功率取P_o=1.1W

3.试验

二极管安全栅的试验，除检查电路组装及相应的输入、输出端子的正确性外，主要是检验电路中所用二极管的性能指标。

在进行试验前，试验人员应该在室温条件下按照制造商规定的试验条件测量二极管的端电压。

所有待用的二极管都必须在温度为150℃的恒温箱中放置2h（出厂试验）。

此外，每一种型号的二极管还应该进行抽样承受脉冲电流试验（型式试验）。在试验时，试验人员应该在试验台上对10只二极管分别施加连续5次的矩形脉冲电流，脉冲宽度为50_μs，间隔时间为20ms，脉冲幅值为最高电压（U_m）峰值除以电路中串联的熔断器熔断体冷态电阻（20℃时）和限流电阻之和所得的电流值。

经过这样的“老化”试验后，试验人员应该再次测量它们的端电压，并与试验前的测量值进行比对。假若试验前、后所测之值不大于5%，则认为试验样品符合要求。

4.应用

二极管安全栅在本质安全电路中的作用是隔离危险能量。

从式（6.9）可以看出，在其他条件不变的情况下，当输入电压大于稳压二极管的稳压值时，计算得到的限流电阻有正常值，因此，安全栅处于正常状态，能够隔离电路的危险能量；当输入电压小于稳压二极管的稳压值时，计算得到的限流电阻可能为零或负值，稳压二极管无法正常工作，因此，安全栅在电路中“没有”限压限流作用。

但是，对于后一种情况，由于输入电压小于稳压二极管的稳压值，而且，又有限流电阻的限流作用，所以安全栅依然能够隔离危险能量，只是方式不同而已。

在实际应用中，正是后一种情况，常常在本质安全型电气设备中获得了较好的应用。

5.安装

二极管安全栅应该安装在非危险场所，当在危险场所使用时，必须由其他的防爆型式进行保护。例如，将安全栅放置在隔爆外壳内就可以使用在危险场所中。

二极管安全栅，通常情况下，使用标准导轨（例如，35mm导轨）固定安装，当然，也可以直接使用接地汇流排固定安装。

二极管安全栅的接地必须牢固可靠（图6.16）。两个接地端子必须同时接地。接地连接导体的横截面积不应该小于4mm²。接地电阻不应该大于4Ω。连接导体的电阻不应该大于1Ω。

图6.16 安全栅接地示意图

a）绝缘导线连接 b）接地汇流排连接 1—二极管安全栅 2—标准导轨 3—接地汇流排 4—接地母线 5—绝缘导线

在安全栅接地时，不管是绝缘导线连接还是接地汇流排连接，接地导体都必须同其他导电零部件保持良好的绝缘。