二极管安全栅工作原理

《电气防爆》２０１１，２　二极管齐纳安全栅电路的设计与分析　

二极管齐纳安全栅电路的设计与分析　

陈泽文　，王德芳　。刘涯　

（１。深圳市特安电子有限公司，广东深圳５１８０５７；２．南阳防爆电气研究所，河南南阳４７３００８）　

［关键词］二极管安全栅；本质安全型关联设备；可靠性元件；计数故障；非计数故障；双重　

化；元件失效　

［摘要］本文总结列举了二极管齐纳安全栅电路在设计时易出现的错误，供初期了解本　

安型防爆技术的工作人员参考。　

［中图分类号］ＴＭ０２　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００４—９１ｌ８（２０１１）０２一ＯＯ２５—０３　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｏｎ　Ｚｅｎｅｒ　Ｄｉｏｄｅ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｂａｒｒｉｅｒ　

ＣＨＥＮ　Ｚｅ—ｗｅｌｌ　，ＷＡＮＧ　Ｄｅ一　，ＬＩＵ　

（１．Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　Ｅｘｔｒａ　Ｓａｆｅ　Ｅｌｅｃ￣ｏｎｉｃｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５１８０５７；　

２．Ｎａｎｙａｎｇ　Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　Ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｙａｎｇ　Ｈｅｎａｎ　４７３００８）　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｏｄｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｂａｒｒｉｅｒ；ｉｎｔｒｉｎｓｉｃａｌｌｙ　ｓａｆｅ　ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ；ｉｎｆａｌｌｉｂｌｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ；ｃｏｕｎｔ－　

ａｂｌｅ　ｆａｕｌｔ；ｎｏｎ—－ｃｏｕｎｔａｂｌｅ　ｆａｕｌｔ；ｄｏｕｂｌｅ　ｐｒｏｔｅｃ６ｏｎ；ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｆａｉｌｕｒｅ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｉｔ　Ｓｌｌｌｌ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｃｏｍｌＴｌＯｎ　ｆａｕｌｔｓ　ａｒｉｓｅｎ　ｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｚｅｎｅｒ　ｄｉｏｄｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｂａｍｅｒ　

ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃｉａｎ　ｗｉｔ｝ｌ　ｌｅｓｓ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｉｎ　ｉｎｔｒｉｎｓｉｃａｌｌｙ　ｓａｆｅ．　

随着石油、化工、煤炭、冶金等工业的迅速发展，一些易燃材料的处理引起了社会各界的重视。这些场合通常含有如天然气、合成气、金属屑、碳尘、粉末、浆料、晶粒、纤维、飞扬物等这些材料，任何渗漏或溅出都可能形成一个爆炸性危险场所，为了工厂和人员的安全，必须确保这个环境的安全。因此世界许多国家和地区对防爆电气产品实施防爆认证制度，防爆产品必须取得防爆认证，才允许在爆炸危险场所使用。

一、本质安全防爆技术

1、仪表防爆的基本原理

防止爆炸，就是要避免爆炸的发生的三个条件同时存在，即点火源（电火花、热表面等）、爆炸性物质（可燃性气体或粉尘等）、空气（氧气）。

如图1所示，当上述三个条件同时存在，而且当爆炸性物质与空气的混合浓度处于爆炸范围内（即处于爆炸下限和爆炸上限之间）时，将不可避免地产生爆炸。

因此，在实践中为了有效地防止爆炸事故的发生，人们总是设法避免上述三个条件同时存在，以达到防爆的目的。常见的三种防爆原理：

（1）控制易爆气体

人为地在危险场所（同时具备发生爆炸所需的三个条件的工业现场）营造出一个没有易爆气体的空间，将仪表安装在其中，典型代表为正压型防爆方法Exp。工作原理是：在一个密封的箱体内，充满不含爆炸气体的洁净气体或惰性气体，并保持箱内气压略高于箱外气体，将仪表安装在箱内。常用于在线分析仪表的防爆和将计算机、PLC、操作站或其他仪表置于现场的正压型爆炸仪表柜。

（2）控制爆炸范围

人为地将爆炸限制在一个有限的局部范围内，使该范围的爆炸不至于引起更大范围的爆炸。典型代表为隔爆型防爆方法Exd。工作原理是：为仪表设计一个足够坚固的壳体，按标准严格地设计、制造和安装所有的界面，使在壳体内发生的爆炸不至于引发壳体外危险气体（易爆气体）的爆炸。隔爆防爆方法的设计与制造规范极其严格而且安装、接线和维修的操作规程也非常严格。该方法决定了隔爆的电气设备、仪表往往非常笨重，操作须断电等。 （3）控制引爆源

安全栅的基础知识详解

一、安全栅的作用

本质安全（IS）是仪表系统采用的防爆技术，安全栅设置在安全区域的控制室设备与危险区域的本安设备之间，传输信号或能量。安全栅利用电路限流限压，从而约束安全区域传递能量给危险区域设备。

处于危险场所的本安设备在这样的能量下能够正常工作，但这样的能量不足以引燃爆炸环境，即使本安设备自身发生故障，也不会产生任何足以引燃的电火花或发热表面。因此，无论是安全场所的控制室设备还是危险场所的本安设备发生故障，只要安全栅的限流限压电路正常工作，整个系统都会处于安全状态，不会产生爆炸。

二、安全栅的种类

安全栅分为齐纳式安全栅和隔离式安全栅两类。

齐纳式安全栅是最早出现的安全栅。它的核心元件是齐纳二极管，限流电阻及快速熔断丝，原理图如下图所示。

齐纳式安全栅原理图

齐纳管电流简单，在现场使用时容易出现系统电源波动、干扰，导致设备损坏，并且由于其需要本安接地，因此在实际应用中较少。

隔离式安全栅不仅能够限压限流，还能电流隔离。隔离室安全栅主要由限能单元、信号及电源隔离单元、信号处理单元组成。

隔离式安全栅原理图

与齐纳式安全栅相比，隔离式安全栅在性能上大大优于齐纳式安全栅：

①采取三方隔离方式，不需使用隔离式仪表；

②降低危险区的仪表要求，现场不需使用隔离式仪表；

③运行过程中稳定性和抗干扰能力大大增强，使整个系统的可靠性大幅提高；

④有强大的信号处理能力，可以接受并处理多种信号，例如热电偶、热电阻、频率等信号； ⑤为同一信号源的两台设备提供两路相互隔离的信号，并且两设备信号无干扰，同时所连接设备互相之间的电气安全绝缘性能也有所提高。

1.齐纳式安全栅

齐纳式安全栅的核心元件为齐纳二极管，限流电阻及快速熔断丝。它的原理简单、电路实现容易，价格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其应用中的可靠性受到很大影响，并限制了其应用范围，其原因如下：

（1）安装位置必须有非常可靠的接地系统，并且该齐纳式安全栅的接地电阻必须小于1Ω，否则便失去防爆安全保护性能，显然这样的要求是十分苛刻并在实际工程应用中难以保证。

隔离式安全栅的工作原理

隔离式安全栅是一种用于保护电源和信号途径的装置，能够有效地隔离输入和输出信号，并保证信号传递的安全性和可靠性。本文将介绍隔离式安全栅的工作原理，包括隔离技术、保护措施以及应用领域等方面。

一、隔离技术

隔离式安全栅主要采用了磁隔离、光电隔离和电容隔离等技术，将输入和输出信号之间的电气联系彻底断开。磁隔离是利用互感器的原理，在输入端和输出端分别放置互感器，通过磁场的作用将输入和输出信号隔离开来。光电隔离是指使用输出端和输入端之间的光学耦合器进行隔离，将输入信号通过LED转换成光信号，再通过光电二极管将光信号转换成输出信号。电容隔离则是通过一个高阻值电容器将输入和输出信号隔离。这些隔离技术都能够实现输入和输出信号的完全隔离，从而提高了系统的稳定性和安全性。

二、保护措施

隔离式安全栅还采用了多种保护措施，以确保系统在异常情况下的安全性。其中最常见的措施包括过压保护、过流保护和过温保护等。过压保护是指当输入端的电压超出设定范围时，安全栅能够自动切断输入端的电源，以保护输出端的设备安全。过流保护是指当输出端的电流超过设定值时，安全栅能够自动切断输出端，以避免设备损坏。过温保护则是指当安全栅内部温度超出设定值时，自动切断输入端的电源，以保护安全栅本身的安全。

三、应用领域

隔离式安全栅广泛应用于不同领域的电子设备，如工业自动化、医疗器械、新能源电力等等。在工业自动化中，隔离式安全栅常常被用于信号隔离、电源隔离、模拟量隔离等方面。在医疗器械中，隔离式安全栅可以用于患者的电生理诊断、电治疗等场合，保证设备的安全性和可靠性。在新能源电力领域，隔离式安全栅则可以用于太阳能电池板的应用、电动汽车的充电系统等方面。

综上所述，隔离式安全栅是一种十分重要的电子保护装置，能够通过多重隔离方式和保护措施，确保电源和信号途径的安全性和可靠性。在不同领域的应用中，隔离式安全栅发挥了重要的作用，在未来的发展中将会更加广泛和重要。