本安电路和运放

1、本质安全型电路教程 防爆原理1、 防爆原理      本质安全型电气设备的防爆原理是： 通过限制电气设备电路的各种参数， 或采取保护措施来限制电路的火花放电能量和热能， 使其在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃周围环境的爆炸性混合物， 从而实现了电气防爆。这种电气设备的电路本身就具有防爆性能， 也就是从 “本质” 上就是安全的， 故称为本质安全型 （以下简称本安型） 。采用本安电路的电气设备称为本质安全型电气设备。由于本安型电气设备的电路本身就是安全的， 所产生的火花、 电弧和热能都不能引燃周围环境爆炸性混合物， 因此本安

2、型电气设备不需要专门的防爆外壳， 这样就可以缩小设备的体积和重量，简化设备的结构。同时， 本安型电气设备的传输线可以用胶质线和裸线， 可以节省大量电缆。因此， 本安型电气设备具有安全可靠、 结构简单、 体积小、 重量轻、 造价低、 制造维修方便等优点， 是一种比较理想的防爆电气设备。但由于本安型电气设备的最大输出功率为 左右， 因而使用范围受到了限制。目前本安型电气设备主要用于通讯、 信号和控制系统， 以及仪器、 仪表等。      本质安全型电气设备分为单一式和复合式两种型式。单一式本安型电气设备是指电气设备的全部电路都是由本质安全电路组成的， 如携带

3、式仪表多为单一式。复合式本质安全型电气设备是指电气设备的部分电路是本质安全电路， 另一部分是非本安电路，如调度电话系统。         本安型电气设备同其他型式的防爆电气设备一样， 由于使用环境不同分为 类和类两种类型设备。 类设备根据最小点燃电流比的不同分为A 、B、C 三级， 见表8-1-2规定； 按其最高表面温度的不同分为六组， 见表8-1-3 规定。本安型电气设备根据安全程度的不同分为  和  两个等级。 等级是指电路在正常工作、 一个或二个故障时，都不能点燃爆炸性气体混合物的电气设备

4、。当正常工作时， 安全系数为2 ； 一个故障时，安全系数为1.5 ； 两个故障时， 安全系数为1 。 级是指正常工作和一个故障时， 不能点燃爆炸性气体混合物的电气设备。当正常工作时， 安全系数为2 ； 一个故障时， 安全系数为1.5。      从上面安全等级划分标准中可以看出， 等级的本质安全型电气设备的安全程度高于 等级。从技术要求上看， 等级的本质安全型电气设备比 等级的本质安全型电气设备要更高更严。本质安全型电气设备的标志为 “i ” 。     本质安全电路是设计制造本质安全型电气设备的关键所在。所谓本质安全电路是

5、指在电路设计时通过合理地选择电气参数， 使电路在规定的试验条件下， 无论是正常工作或是在规定的故障状态下产生的电火花和热效应都不能点燃规定的爆炸性混合物的电路。上述 “规定的试验条件” 是指在考虑了各种最不利因素 （这包括一定的安全系数、试验介质的浓度等） 的试验条件， “电火花” 是指电路中触点动作火花 （包括按钮、 开关、 接触器接点、 各种控制接点等所产生的火花） ， 以及电路短路、 断路或接地时所产生的电火花， 也包括静电和摩擦产生的火花， “热效应” 是指电气元件、 导线过热形成的表面温度及热能量和电热体的表面温度及热能量， “正常工作” 是指本质安全型电气设备在设计规定的条件下工作

6、， “规定的故障状态” 是指除 “可靠元件或组件” 外， 所有与本质安全性能有关的电气元件损坏或电路连接发生的故障， 诸如电气元件短接、 晶体管或电容击穿、 线圈匝简短路等均为规定的故障状态。 “可靠元件或组件” 是指在使用、 存储和运输期间不会出现影响本质安全电路安全性能的故障的元件或组件。本质安全型电路详解 火花放电 2、 火花放电       本安型电路无论是在正常工作状态下， 还是在规定的故障状态下， 所产生的电火花和热效应都不能点燃规定的爆炸性混合物。这里所指的电火花是广义的， 它包括电路中两个电极间的放电火花， 也包括电路切换时产生

7、的电弧， 以下统称电路的放电火花。电路的放电火花， 是电气设备在实际运行中由于开关触点的开闭和电路绝缘损坏形成短路而产生的。而电路绝缘损坏形成短路所产生的电火花相当于开关触点闭合时所产生的电火花。所以在研究本安电路的电火花时， 只需研究开关触点开闭时的放电火花就行了， 放电火花的能量大小是研究本安型电路的核心。放电火花是电源能量和电路中储能元件的储存能量向通断的电极间隙放电的现象 （释放能量） ， 是电路的电子流和电极间气体电离的离子流形成的导电带。放电火花含有熔融的金属粒子和蒸气 （即液态金属桥） ， 在极高的电流密度作用下产生高温和大量的热能。当这种能量超过了周围爆炸性混合物的最小点燃能量

8、时就会引起爆炸。      通常认为电路放电有三种型式： 火花放电、 弧光放电和辉光放电。火花放电的特点是低电压大电流放电， 如本安电路中的电容放电、 化学电源放电均属于火花放电。弧光放电为高压击穿时产生的放电， 它可以产生持续电弧， 电流密度大、 能量集中、 点燃周围环境中爆炸性混合物的能力强， 电感电路能产生弧光放电。辉光放电是在高电压小电流的条件下发生的， 通常认为电压在200300V 以上才能发生辉光放电。辉光放电的特点是能量不集中， 散失大， 点燃周围环境中爆炸性混合物的能力差。不同性质的电路 （电阻性、 电感性、 电容性） 及电路的开关状态 （接通、

9、断开、 通断速度） 将对电火花的形成和特点产生不同的影响。 本质安全型电路详解电阻电路的火花放电 1、电阻电路的火花放电       电阻电路没有储能元件， 是最简单最基本的电路。电阻电路通断时所产生的电火花的能量来源于电源， 放电过程比较简单。电阻电路的火花放电电路如图 8-1-6所示。当电路断开时， 电极间接触面急剧减小， 接触部位间的电流密度又急剧增加， 可高达  而电极间电压逐渐增大。在电压和电流的作用下， 电极迅速熔化形成金属桥。而后产生的金属蒸气破坏了金属熔桥， 电极间电阻变大， 电极间电压随之上升，

10、当电压高于起弧电压时就会产生电弧放电。当电路的电感大于0.2uH 时就会产生起弧电压。通过以上分析可以看出， 电阻电路的火花放电是在一定的电流和电压作用下才能发生的。只有在火花放电功率相当大的情况下， 放出适当大小的能量， 才有可能点燃爆炸性混合物。如果火花功率相当小， 即使火花放电时间长， 也是不会点燃爆炸性混合物的。同其他性质的电路相比， 电阻电路的放电火花的能量是比较小的。         开关通断速度对电火花能量的大小也有影响。研究表明： 火花放电能量与电源电压、 电路电流、 火花放电持续时间三因素乘积成正比。因此，

11、 开断电气参数一定的电路（电源电压和电路电流一定） ， 其火花放电的能量却是不一定的， 而是随着火花放电持续时间和放电波形而变化的， 持续时间越长， 火花放电能量就越大。所以， 对于电阻电路的断开时产生的火花， 慢速度断开比快速断开更危险。电阻电路闭合时火花放电与断开时火花放电在现象和效果上是一样的。本质安全型电路电感电路的火花放电 2、电感电路的火花放电电感电路是由电感和电阻组成的电路， 其火花放电电路如图8-1-7 所示。电路中的电感元件是储能元件， 它可以把电路的能量以磁能的形式储存起来， 当电路发生通断变化时， 又能释放能量。电感电路的火花放电过程较为复杂， 其火花放电功率和

12、能量分为两个部分： 一部分来自电源， 一部分来自电感元件， 并且电感元件中的磁场能量是主要的， 而来自电源能量是次要的。当电感电路断开时， 除具有电阻电路的放电过程外， 最主要是电感元件磁场储能    的放电过程。这时， 电路的电极迅速离开， 电极间电阻突然增大， 电流急剧下降， 电流变化率很大， 在电极间隙处产生了很高的反电动势， 电感的储能在放电间隙处发生放电。放电间隙既有来自电源能量放电， 又有来自电感元件的储能放电， 放电强度大大提高， 同时延长了放电时间。电感电路断开时的电火花无论在时间上还是空间上都是比较集中的， 而且越是集中的火花， 就越容

13、易点燃爆炸性混合物。对于电感量较大的电感电路， 火花小而集中， 容易点燃爆炸性混合物； 而对于电感小的电感电路， 其放电火花大而分散， 不易点燃爆炸性混合物。因此， 电源电压相同的电阻电路和电感电路， 其点燃电流是不同的， 电感电路的点燃电流要比电阻电路的点燃电流小得多。因此在设计本安型电感电路时， 应特别注意电感储能放电对放电火花的影响。电感电路闭合时， 由于电流不发生突变， 不易产生强烈的火花放电， 因此这里不作研究。由于电感电路的火花放电是在电路断开时产生的， 因此电感火花也称为断开火花。 本质安全型电路电容电路火花放电3、 电容电路的火花放电   

14、0;  电容电路是由电容和电阻组成的电路。电容电路的火花放电是在开关触点闭合时产生的， 而在触点断开时， 电容电路的电容不会发生火花放电， 所以电容电路火花放电也称为闭合火花。虚窖电路的电容火花放电电路如图8-1-8 所示。         在电容电路中电容是储能元件， 它把电源的能量以电能的形式储存起来 （储能为   ） 。当电路闭合时， 既有电阻电路放电， 又有电容储能放电。在这一瞬间， 电容放电电流很大， 放电又非常迅速， 持续时间很短， 火花放电功率和能量都很大， 且能量高度集

15、中。因此， 电容电路的放电火花点燃爆炸性混合物的能力更强， 危险就更大。       电容电路的火花放电有两种： 一种是电容电路的电容直接火花放电， 如图8-1-8所示； 另一种是电容电路的电容经串联电阻火花放电， 如图8-1-9 。电路中电容C 经串联电阻R0 放电， 电极间的放电电流I 等于电容放电电流Ib 与电源电流Ic 之和， 即：I=Ib+Ic。电极间放电功率P 也等于电源放电功率Pb 与电容放电功率Pc 之和， 即P=Pb+Pc。同样， 两极间的火花放电能量A 也等于电源放电能量Ab 与电容放电能量Ac之和， 即A=Ab+Ac &#

16、160;。由于电容C 储能经过串联电阻R0 放电， 一部分能量在电阻R0上消耗了， 因此电容放电能量就小于 （电容储能） 。同时， 电源的火花放电与电容也有关， 因为电容电压也影响电源的放电。由此可见， 由于串联电阻R0 的作用， 电容C的放电受到限制， 同时也限制了电源的放电， 从而大大地限制了电容电路的火花放电的能量， 降低了火花放电点燃爆炸性混合物的可能性， 提高了电容电路的本质安全性能。        通过对上述三种本安电路的研究， 我们知道电路的火花放电具有一定的能量， 当这种能量达到一定数量级时将会引燃爆炸性混合物。使爆炸

17、性气体混合物点燃的最小能量就是电火花的最小点燃能量。最小点燃能量是研究本质安全防爆性能的基本概念， 最小点燃能量的数值是爆炸性混合物级别的标志。最小点燃能量是在特定的试验条件下（最易点燃的放电方式， 最易点燃的爆炸性混合物的浓度） ， 通过专门的试验装置测定的，其数据有较高的准确性， 是设计和评价本安电路的重要依据。我们已经知道放电火花能量的大小与电源电压、 电路电流、 火花持续放电时间三因素乘积成正比， 那么点燃爆炸性混合物的最小电流和电压的测定也是非常重要的。最小点燃电流和最小点燃电压是防爆检验单位在规定试验条件下， 通过大量的火花试验而确定的点燃爆炸性混合物的最小电流和电压， 并绘制了最

18、小点燃电流和电压曲线。最小点燃电流和电压曲线是设计、 使用和检验本安电路的重要依据。三种不同电路火花放电的最小点燃电压、 电流曲线如图8-1-10 图 8-1-17所示。点此查看曲线图      为了保证本安电路的防爆性能， 在设计、 检验和使用本安电路时， 要使电路有足够的安全裕度系数， 这就是本安电路的安全系数。对于不同的电路， 安全系数的计算也不同。对电阻电路、 电感电路， 其安全系数 （X ） 的计算公式： 对电容电路：        本安电路放电火花点燃能力的大小是受电路的电压、 电流

19、、 电感、 电容等电气参数直接影响的， 同时也受到一些非电气参数的影响， 如爆炸性混合物的浓度、 成分、 湿度、 温度、 流动速度， 以及电极触头的材质、 形状、 分合速度等诸多因素的影响。不同成分的爆炸性混合物， 其火花点燃能力是不同的。即使是同种成分的爆炸性混合物， 由于浓度的不同， 其最小点燃能量也是不同的。爆炸性混合物的温度越高， 所需能量越小， 越易点燃； 湿度越大， 越不易点燃； 爆炸性混合物的流动速度越大， 越易点燃。至于电路的电压、电流、 电感、 电容对放电火花点燃能力的影响在前面的各种本安电路中已作过研究， 这里不再复述。三、 防爆措施    

20、 通过本安电路的研究已经知道， 无论何种本安电路都有产生火花放电的可能。为了使本安电路或本安电气设备能安全使用， 必须在设计和制造时采取措施， 以尽量减少电路分合时产生的放电火花。通过前面对电路的研究知道， 降低电压或电流， 是减小放电火花， 提高本安电路安全性能较为有效的方法， 但这样又不能满足电路或电气设备对功率和性能的要求。为提高本安电路的使用功率， 通常采用下列方法：1、电容电路可采用电容储能经电阻放电的方法减小电火花放电能量 （其原理在前面的研究中已经阐述， 这里不再赘述） 。2、电感电路可采用三种方法来减小电感放电火花能量： 在电感元件两端并联电阻； 在电感元件两端并联电容； 在电感两端并联二极管。         电感两端并联电阻的火花放电电路如图8-1-18 所 示。图中，L 表