朱林，劉柏清，高恒志，曾偉杰

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院/國家防爆設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心（廣東），廣東 廣州 510663）

0 引言

目前，市場上的防爆電氣設(shè)備大多設(shè)計(jì)成隔爆型、增安型和本質(zhì)安全型，但考慮到經(jīng)濟(jì)成本，許多產(chǎn)品會(huì)設(shè)計(jì)成混（復(fù)）合型防爆型式，其中以隔爆兼本安型防爆設(shè)備居多。齊納安全柵作為連接本質(zhì)安全電路與非本質(zhì)安全電路的器件，在混（復(fù)）合型防爆設(shè)備中的應(yīng)用極為廣泛，可以說必須要使用該器件實(shí)現(xiàn)電源的轉(zhuǎn)換。以往有許多學(xué)者已對(duì)該器件撰寫了不少論文[1-2]，但大多沒有從原理出發(fā)，致使許多讀者并不了解其工作過程。基于此，本文首先介紹齊納安全柵的結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)壓原理，并對(duì)各元件參數(shù)的計(jì)算做了詳細(xì)說明，最后給出了齊納安全柵的防爆型式試驗(yàn)過程。

1 齊納安全柵的結(jié)構(gòu)及原理

1.1 齊納安全柵的結(jié)構(gòu)

齊納安全柵電路由熔斷器、限流電阻、齊納二極管組成。原理示意圖如圖1所示，其中齊納二極管VS用來限制本質(zhì)安全端的電壓，電阻R1、R2用來限制流向本質(zhì)安全端的電流，熔斷器FU用來保護(hù)齊納二極管，避免其被燒壞。

在防爆標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的保護(hù)等級(jí)分為“ia”級(jí)、“ib”級(jí)和“ic”級(jí)，其中“ia”級(jí)別最為嚴(yán)格。不同級(jí)別的齊納安全柵結(jié)構(gòu)，其標(biāo)準(zhǔn)有不同的要求：

對(duì)于“ia”級(jí)、“ib”級(jí)：齊納安全柵應(yīng)選用兩個(gè)或以上二極管并聯(lián)，但在考慮故障時(shí)，只考慮其中一只發(fā)生故障；限流電阻要選用可靠電阻器；元器件之間的連接應(yīng)采用可靠連接。

對(duì)于“ic”級(jí)：齊納安全柵可只選用一只二極管，不考慮故障發(fā)生。限流電阻可選用普通電阻，但其使用功率不能大于2/3倍額定功率[2]。

對(duì)熔斷器的要求，應(yīng)選用快速熔斷器。安全柵應(yīng)在非本安端與本安端設(shè)置兩個(gè)獨(dú)立的接地端子，每一個(gè)接地端子都要使用截面積不小于4mm2的絕緣導(dǎo)線，并且安全柵各個(gè)器件應(yīng)被澆封成一個(gè)整體。

1.2 齊納安全柵的穩(wěn)壓原理

齊納安全柵穩(wěn)壓電路如圖1，它是利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓效果，根據(jù)齊納安全柵的二極管特性曲線可知，如圖2所示，由于反向特性陡直，即使有較大的電流變化，也只會(huì)引起較小的電壓變化[3]。

圖2 齊納二極管特性曲線

2 齊納安全柵元件參數(shù)計(jì)算

本質(zhì)安全設(shè)備主要是通過調(diào)整本安電路中元件的參數(shù)，來限制其輸出的能量，從而實(shí)現(xiàn)防爆要求。齊納安全柵雖然電路結(jié)構(gòu)比較簡單，所用元件也較少，但考慮到防爆標(biāo)準(zhǔn)中安全系數(shù)的要求，在計(jì)算和選型時(shí)要考慮各個(gè)元件參數(shù)對(duì)本質(zhì)安全電路的影響，其中限流電阻和齊納安全柵的計(jì)算尤為重要[4]。下面對(duì)各元件參數(shù)計(jì)算及注意事項(xiàng)做詳細(xì)說明。

（1）齊納二極管最大工作電流。根據(jù)上述齊納安全柵穩(wěn)壓原理可知，當(dāng)負(fù)載電流一定而輸入電壓增加時(shí)，二極管的工作點(diǎn)將向最大工作電流點(diǎn)移動(dòng)；當(dāng)輸入電壓一定而負(fù)載電流增加時(shí)，二極管的工作點(diǎn)將向最小工作電流點(diǎn)移動(dòng)。所以在確定穩(wěn)壓大小后，應(yīng)保證二極管的工作電流不能超過它的最大工作電流值。在取1.5倍安全系數(shù)的情況下，最大工作電流為：

（2）負(fù)載電阻 計(jì)算。當(dāng)確定選擇某一型號(hào)齊納二極管，以及確定齊納安全柵輸出電流范圍時(shí)，根據(jù)歐姆定律，可計(jì)算出負(fù)載電阻的最大值和最小值。

（3）熔斷器FU的選擇。根據(jù)防爆標(biāo)準(zhǔn)的要求，熔斷器應(yīng)能連續(xù)通過1.7倍熔斷體的電流。在齊納安全柵中，熔斷器應(yīng)能連續(xù)通過1.7倍齊納二極管的最大工作電流。

（4）限流電阻 的計(jì)算。根據(jù)歐姆定律，額定輸出電壓減去齊納二極管變成穩(wěn)壓值再除以額定輸出電流，得到的值就是限流電阻 的值。在選擇限流電阻 時(shí)，還應(yīng)考慮它的最大耗散功率，當(dāng)安全柵短路時(shí)，限流電阻 處于最嚴(yán)酷狀態(tài)，此時(shí)耗散功率最大：

3 齊納安全柵試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證安全柵是否能承受瞬態(tài)過程的影響，驗(yàn)證具有可靠額定值的電阻器是否能承受任何與其瞬態(tài)過程相關(guān)的影響。

試驗(yàn)前，在室溫條件下測量二極管的端電壓。然后將二極管置于150℃恒溫箱2h。隨后對(duì)10只樣品進(jìn)行脈沖電流試驗(yàn)，試驗(yàn)電流為最大輸入電壓峰值除以熔斷器電阻及其串聯(lián)的可靠電阻組成之和，連續(xù)施加5次矩形脈沖電流，脈沖寬度為50μs，間隔時(shí)間為20ms。經(jīng)過以上試驗(yàn)過程后，再次測量二極管的端電壓，與試驗(yàn)前的測量值進(jìn)行對(duì)比，若前后差值不大于5%，則認(rèn)為試驗(yàn)樣品符合要求[7-8]。

4 結(jié)語

本文主要介紹了齊納二極管的工作原理，以及在設(shè)計(jì)過程中各元件之間的影響和參數(shù)計(jì)算，為后續(xù)對(duì)齊納二極管的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。最后介紹了防爆標(biāo)準(zhǔn)對(duì)齊納二極管的試驗(yàn)要求，給出了試驗(yàn)過程及合格判據(jù)。