浅谈本安电路的设计

Ｅ Ｌ Ｅ Ｃ Ｔ Ｒ ＯＮＩ Ｃ Ｓ Ｗ ＯＲ Ｌ Ｄ・ 技 术 交流
浅 谈 本 安 电 路 的 设 计
中煤 科 工集 团重庆 研 究院有 限公 司 冉 刚
【 摘要 】 本质安全电路 （ 下文简称本安 电路 ）指在标准Ｇ Ｂ ３ ８ ３ ６ ． ４ — ２ ０ １ ｏ 规定条件下 （ 包括正常工作和规定的故障条件下 ）产生的任何电火花 或 任 何 热效 应 均 不能 点燃 规 定 的爆 炸性 气体 环 境 的 电路 。本 安 电路 的设 计要 考 虑 两个 方 面的 内容 一 个是 可靠 隔 离 ，一 个是 能量 限制 ， 本 文 主
根据 ＧＢ ３ ８ ３ ６ ． ４ — ２ ０ １ ０ 附录 图Ａ． １ ，对 于 电阻 电路 的 电压 和 电流 我 们 要 限制 在Ｇ Ｂ ３ ８ ３ ６ ． ４ — ２ ０ １ ０ 附录 图Ａ． １ 相 应设 备 防爆 等级 的 曲线 以 下 ， 当然 还 得 考虑 １ ． ５ 倍 的 安全 系 数 ，例 如 ，我 们 要 设计 工 作 电压 ２ ０ Ｖ的Ｉ 类 的本 安 电路 ，根 据 查Ｇ Ｂ ３ ８ ３ ６ ． ４ ． ２ ０ １ ０ 附录 图Ａ． １ 的 曲线 ，Ｉ 类 设 备在 ２ ０ Ｖ的 时候 允许 的最大 电流 是２ ． ２ Ａ左右 ，考虑 １ ． ５ 倍系 数 ， 我 们 设 计２ ０ Ｖ的 电阻 电路 的 电流就 应 该 小于 ２ ． ２ Ａ ／ １ ． ５ ＝ １ ． ４ ６ Ａ。因此 在 工 作 电压确 定 的情 况 下 ，为 了满 足本 安 电路 设计 的要 求 ，我 们 只 能 降低 电流 ，将 电路 的最 大 电流 降低 到 曲线允 许 的电流 以下。
２ ． ２ ２ 半导 体 器件 的热点 燃 半 导体 器件 的热 点燃 ，就是 限 制半 导体 器件 的表 面 温度 ，对 于
２ ． 能量限制
本 安 电路要 求 电路 中任 何 电火 花 或任 何热 效应 均 不 能点燃 规 定 的爆 炸性 气体 环 境 ，因此 就 需要对 本 安 电路 的能量 进 行限 制 。 ２ ． １ 电火花 点燃 的 能量 限 制 对于 电火 花能量 的 限制 ，主要是 把 电火花 能量 限制在Ｇ Ｂ ３ ８ ３ ６ ． ４ ． ２ ０ １ ０ 规定 的范围 以内 。对我 们将 电路分 为电阻性 电路 、电容性 电路和 电感性 电路，下边我 们分别对 这３ 种 电路 的 电火花进 行分析 。
２ ． １ ． １ 电 阻性 电路
半 导体 器件 的表 面温 度 ，我们 通过 下列 公式 计算 ：
Ｔ ： Ｐ ｄ ＸＲ ｊ ａ ＋ Ｔ ａ 式 中Ｔ － 半 导体 器件 的 最高表 面温 度 ； Ｐ ｄ 半 导体 器件 的耗 散功 率 ； Ｒ ｊ ａ 一 半导 体器 件 的热 阻系数 ； Ｔ ａ 一 本 安设 备工 作 的最高 环境 温度 。 我 们通 过 公式 计算 半导 体器 件 的表 面温 度是 否满 足 相应 温度 组 别 的要 求 ，如果 超 过 了相应 的温 度 组别 的要 求 ，我们 只 能通 过减 少 半 导体 器件 耗散 功率 来 降低 半 导体 器件 的表 面温 度 。
・１ ７２ ・ 屯 子 世 界
【 １ ］ Ｇ Ｂ ３ ８ ３ ６ ． ４ — ２ ０ １ ０《 爆 炸性 环境 ｇ４ 部 分： 由本 质安 全 型 ｉ ’ 保 护 的设备 》【 ｓ ｌ 北京： 中 国标 准 出版社 ， ２ ０ １ １ ［ ２ 】Ｇ Ｂ ３ ８ ３ ６ ． １ ～ ２ ０ １ １ ） 《 爆 炸 性环 境 第 １ 部 分： 设备 通 用要 求 》 Ｉ Ｓ ］ 北 京： 中国标 准 出版 社 ， ２ ０ １ １ ．
对 于Ｐ ＣＢ印 制 板 ， 我 们 主 要 根 据 Ｐ Ｃ Ｂ印 制 板 的 厚 度 ， 印 制 板 的 层 数 ， 印 制 板 印 制 线 的 宽 度 以 及 印 制 板 铜 箔 的厚 度 ，根 据 Ｇ Ｂ ３ ８ ３ ６ ． ４ — ２ ０ １ ０ 中表４ 的 内容计 算 印制板 的设计 是否 满足 热 点燃 的要 求 。比如 ，我 们设 计Ｉ 类 防爆 的本 安 电路Ｐ Ｃ Ｂ 板 ：板厚 １ ． ６ ｍｍ，铜箔 厚 度３ ５ ｕ ｎ ，印制 线 宽度０ ｒ ． ５ ａｍ，根 据Ｇ ｒ Ｂ ３ ８ ３ ６ ． ４ ． ２ ０ １ ｏ Ｎ４ 中０ ． ５ ｍｍ宽 的印 制 线 ，最 大 电流 是３ ． ５ Ａ，根据 注 ４ ，双 层 印制 板流 过 的 最大 电 流 再 除 以１ ． ５ ，因此 该 电路 板 流过 的 最大 电流 是 ３ ． ５ Ａ／ １ ． ５ ＝ ２ ． ３ Ａ， 通 过 计 算 ， 当电路 中 电流 不超 过２ ． ３ Ａ的时 候 ，我们 的Ｐ Ｃ Ｂ印制板 的设 计 是 满足 要求 的 ，如 果超过 了２ ． ３ Ａ 那 印制 线就应 该加 宽 。
２ ． ２ ． １ Ｐ ＣＢｇ ｌ ￣ 制板 的 热点燃
１ ． 可靠隔离
本 安 电 路 的 设计 中 ， 需要 对 本 安 电路 和 非 本 安 电 路进 行 可靠 隔离 ，根据 Ｇ Ｂ ３ ８ ３ ６ ． ４ — ２ ０ １ ０ 的 要求 ，可 靠 隔离 器件 分 为变 压 器 、光 耦 、继 电器 、隔 离 电容器 这几 种 。 １ ． １ 变压 器 根据Ｇ Ｂ ３ ８ ３ ６ ． ４ — ２ ０ １ ０ 中８ ． １ 条 的规定 ，隔 离变 压器 的 结构 必 须满 足 下 列要 求 ： 向本 质 安全 电路 供 电 的所有 绕 组与 所有 其 它绕 组之 间应 用 下列 结 构 型式 之一 进行 隔离 ： １ 型结 构 ：绕 组应 按下 列两 者 之一排 列 ： （ ａ ） 并 列在 铁 芯的 一个柱 上 ，或 ｆ ｂ ） 在 铁 芯 的不 同柱上 。 ２ 型结 构 ：绕 组应 用下 列两 种方 法 内外 重迭 绕制 ： （ ａ １ 绕 组之 间按 表５ 采取 固体 绝缘 ，或 （ ｂ ） 绕 组 之 间采 用 接地 屏 蔽 （ 铜 箔制 成） 或用 等 效 导线 绕 组（ 导线 屏 蔽） 。 并 且变压器应通过Ｇ Ｂ ３ ８ ３ ６ ． ４ ２ ０ １ ０ 中型式试验和例行试 验的要求 。 １ ＿ ２ 继 电器和 光耦 继 电器和 光 耦 的绝缘 应 能承 受 ２ Ｕ＋ ｌ ０ ０ ０ Ｖ交 流有 效 值 试验 电 压 ，但 不 小 于 １ ５ ０ ０ Ｖ。ｕ 指 本质 安 全 电路 和非 本 质安 全 电路 的 电压 有 效值 之和 。 １ ． ３ 隔离 电容 器 对 于 可靠 布置 的隔离 电容器 ，两 个 串联 电容器 中 的任一 电容器 都 可认 为 会 发生 短 路或 开 路故 障 ， 因此 隔离 ｉ ｂ 用两 个 串联 的 电容 ， ｉ ａ 用 三 个 串联 的电容 器 作 为 隔离 电容 组件 ， 同时 ，每 个 电容 器应 能 承 受２ Ｕ＋ １ ０ ０ ０ Ｖ交流 有效 值 试验 电压 ，但 不 小于 １ ５ ０ ０ Ｖ。Ｕ 指 本质 安 全 电路 和非 本质 安全 电路 的 电压 有 效值之 和 。 隔 离 电容 器应 为 高度 可靠 的固体 介质 型 电容 ， 电解 电容 或钽 电 容 不能 使用 。
要 从 这 两个 方 面对本 安 电路 的设计 进行 介 绍 。
【 关键词 】本安电路 ；可靠隔离；能量限制
级 例如 ，我 们要 设 计工 作 电压２ ０ Ｖ的Ｉ 类 的本安 电路 ，查 Ｇ Ｂ ３ ８ ３ ６ ． ４ — ２ ０ １ ０ 附录 图Ａ ． ２ ，考 虑１ ． ５ 倍 系 数 ，我们 要 查２ ０ Ｖ ＊ １ ． ５ ＝ ３ ０ Ｖ 对 应 的 电容值 ，查 曲线 ，３ ０ Ｖ 对 应 的 电容值 是 ７ ｕ Ｆ 左 右 ， 因此 我 们设 计 电路 的时 候 ，在 ２ ０ Ｖ电压 下 的 电容要 设 计在 ７ ｕ Ｆ 以下 。 因此在 电压确 定 的情 况 下 ，为 了满 足 本安 电路 设 计的 要求 ，我 们 只能 降低 电容 ，将 电路 的最 大 电容 降低 到 曲线允 许 的电容 以下 。 ２ ． １ ． ３ 电感性 电路 根据 Ｇ Ｂ３ ８ ３ ６ ． ４ — ２ ０ １ ０ 附录 图Ａ． ４ 、Ａ． ５ 和 图Ａ． ６ ，对 于 电感性 电 路 的 电感 我 们要 限制 在ＧＢ ３ ８ ３ ６ ． ４ — ２ ０ １ ０ 附录 图Ａ． ４ 、Ａ． ５ 和 图Ａ． ６ ＊ Ｈ 应 设 备 防 爆等 级 的 曲线 以下 ，当然 还 得 考虑 １ ． ５ 倍 的安 全 系 数 ，例 如 ，我 们 要 设计 ２ ０ ｖ ／ １ Ａ的Ｉ 类 的本 安 电路 ，查 Ｇ Ｂ ３ ８ ３ ６ ． ４ — ２ ０ １ ｏ Ｎ录 图Ａ ． ５ ，考虑 １ ． ５ 倍 系数 ，我 们 要查 ２ ０ Ｖ ／ １ ． ５ Ａ 对 应 的 电感 值 ，查 曲线 ２ ０ Ｖ ／ １ ． ５ Ａ 对 应 的 电感 值 是０ ． ５ ｍＨ 左 右 ， 因此我 们 设计 电路 的时候 ， 在２ ０ Ｖ ／ １ Ａ的 电感要 设 计 在０ ． ５ ｍ以 下 。因 此在 电压 、 电流 确 定 的情 况 下 ，为 了满 足本 安 电路 设计 的要 求 ，我们 只能 降低 电感 ，将 电路 的最 大 电感 降低 到 曲线 允许 的 电感 以下 。 ２ － ２ 热 点燃 的限 制 对 于 本 安 电路 中的 热点 燃 ，我们 要 考虑 Ｐ ｃ Ｂ印制板 和 半 导体 器 件 的 热 点燃 。
２ ． １ ． ２ 电容 性 电 路
３ ． 结束语
本 文对 本 安 电路 设 计 的２ 个基 本 原 则进 行 分析 ，对 本 安 电路 设 计 中的 一些本 安计 算方 法进 行 了简 单的 描述 。 参 考文献
根据Ｇ Ｂ ３ ８ ３ ６ ． ４ ． ２ ０ １ ０ 附 录 图Ａ． ２ 和 图Ａ． ３ ，对 于 电容 性 电路 的 电 容 我 们要 限制 在ＧＢ ３ ８ ３ ６ ． ４ ． ２ ０ １ ０ 附录 图Ａ． ２ 和 图Ａ ． ３ 相 应 设备 防 爆等