齐纳安全栅各元件参数计算及型式试验

2022-04-25朱林刘柏清高恒志曾伟杰

电子元器件与信息技术 2022年2期

朱林，刘柏清，高恒志，曾伟杰

（广州特种机电设备检测研究院/国家防爆设备质量检验检测中心（广东），广东广州 510663）

0 引言

目前，市场上的防爆电气设备大多设计成隔爆型、增安型和本质安全型，但考虑到经济成本，许多产品会设计成混（复）合型防爆型式，其中以隔爆兼本安型防爆设备居多。齐纳安全栅作为连接本质安全电路与非本质安全电路的器件，在混（复）合型防爆设备中的应用极为广泛，可以说必须要使用该器件实现电源的转换。以往有许多学者已对该器件撰写了不少论文[1-2]，但大多没有从原理出发，致使许多读者并不了解其工作过程。基于此，本文首先介绍齐纳安全栅的结构以及稳压原理，并对各元件参数的计算做了详细说明，最后给出了齐纳安全栅的防爆型式试验过程。

1 齐纳安全栅的结构及原理

1.1 齐纳安全栅的结构

齐纳安全栅电路由熔断器、限流电阻、齐纳二极管组成。原理示意图如图1所示，其中齐纳二极管VS用来限制本质安全端的电压，电阻R1、R2用来限制流向本质安全端的电流，熔断器FU用来保护齐纳二极管，避免其被烧坏。

在防爆标准中，对本质安全型电气设备的保护等级分为“ia”级、“ib”级和“ic”级，其中“ia”级别最为严格。不同级别的齐纳安全栅结构，其标准有不同的要求：

对于“ia”级、“ib”级：齐纳安全栅应选用两个或以上二极管并联，但在考虑故障时，只考虑其中一只发生故障；限流电阻要选用可靠电阻器；元器件之间的连接应采用可靠连接。

对于“ic”级：齐纳安全栅可只选用一只二极管，不考虑故障发生。限流电阻可选用普通电阻，但其使用功率不能大于2/3倍额定功率[2]。

对熔断器的要求，应选用快速熔断器。安全栅应在非本安端与本安端设置两个独立的接地端子，每一个接地端子都要使用截面积不小于4mm2的绝缘导线，并且安全栅各个器件应被浇封成一个整体。

1.2 齐纳安全栅的稳压原理

齐纳安全栅稳压电路如图1，它是利用稳压二极管的反向击穿特性实现稳压效果，根据齐纳安全栅的二极管特性曲线可知，如图2所示，由于反向特性陡直，即使有较大的电流变化，也只会引起较小的电压变化[3]。

图2 齐纳二极管特性曲线

2 齐纳安全栅元件参数计算

本质安全设备主要是通过调整本安电路中元件的参数，来限制其输出的能量，从而实现防爆要求。齐纳安全栅虽然电路结构比较简单，所用元件也较少，但考虑到防爆标准中安全系数的要求，在计算和选型时要考虑各个元件参数对本质安全电路的影响，其中限流电阻和齐纳安全栅的计算尤为重要[4]。下面对各元件参数计算及注意事项做详细说明。

（1）齐纳二极管最大工作电流。根据上述齐纳安全栅稳压原理可知，当负载电流一定而输入电压增加时，二极管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，二极管的工作点将向最小工作电流点移动。所以在确定稳压大小后，应保证二极管的工作电流不能超过它的最大工作电流值。在取1.5倍安全系数的情况下，最大工作电流为：

（2）负载电阻计算。当确定选择某一型号齐纳二极管，以及确定齐纳安全栅输出电流范围时，根据欧姆定律，可计算出负载电阻的最大值和最小值。

（3）熔断器FU的选择。根据防爆标准的要求，熔断器应能连续通过1.7倍熔断体的电流。在齐纳安全栅中，熔断器应能连续通过1.7倍齐纳二极管的最大工作电流。

（4）限流电阻的计算。根据欧姆定律，额定输出电压减去齐纳二极管变成稳压值再除以额定输出电流，得到的值就是限流电阻的值。在选择限流电阻时，还应考虑它的最大耗散功率，当安全栅短路时，限流电阻处于最严酷状态，此时耗散功率最大：

3 齐纳安全栅试验

试验目的是验证安全栅是否能承受瞬态过程的影响，验证具有可靠额定值的电阻器是否能承受任何与其瞬态过程相关的影响。

试验前，在室温条件下测量二极管的端电压。然后将二极管置于150℃恒温箱2h。随后对10只样品进行脉冲电流试验，试验电流为最大输入电压峰值除以熔断器电阻及其串联的可靠电阻组成之和，连续施加5次矩形脉冲电流，脉冲宽度为50μs，间隔时间为20ms。经过以上试验过程后，再次测量二极管的端电压，与试验前的测量值进行对比，若前后差值不大于5%，则认为试验样品符合要求[7-8]。