本安電路和運放

1、本質(zhì)安全型電路教程防爆原理一、防爆原理本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的防爆原理是：通過限制電氣設(shè)備電路的各種參數(shù)，或采取保護措施來限制電路的火花放電能量和熱能，使其在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點燃周圍環(huán)境的爆炸性混合物，從而實現(xiàn)了電氣防爆。這種電氣設(shè)備的電路本身就具有防爆性能，也就是從 本質(zhì)”上就是安全的，故稱為本質(zhì)安全型 （以下簡稱本安型）。采用本安電路的電氣設(shè)備稱為本質(zhì)安全型電氣設(shè)備。由于本安型電氣設(shè) 備的電路本身就是安全的，所產(chǎn)生的火花、電弧和熱能都不能引燃周圍環(huán)境爆炸性混合物，因此本安型電氣設(shè)備不需要專門的防爆外殼，這樣就可以縮小設(shè)備的體積和重量，簡化設(shè)備的結(jié)構(gòu)。同時，本

2、安型電氣設(shè)備的傳輸線可以用膠質(zhì)線和裸線，可以節(jié)省大量電纜。因此，本安型電氣設(shè)備具有安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、 體積小、重量輕、 造價低、制造維修方便等優(yōu)點，是一種比較理想的防爆電氣設(shè)備。但由于本安型電氣設(shè)備的最大輸出功率為 左右， 因而使用范圍受到了限制。目前本安型電氣設(shè)備主要用于通訊、信號和控制系統(tǒng)，以及儀器、儀表等。本質(zhì)安全型電氣設(shè)備分為單一式和復(fù)合式兩種型式。單一式本安型電氣設(shè)備是指 電氣設(shè)備的全部電路都是由本質(zhì)安全電路組成的，如攜帶式儀表多為單一式。復(fù)合式本質(zhì)安全型電氣設(shè)備是指電氣設(shè)備的部分電路是本質(zhì)安全電路，另一部分是非本安電路，如調(diào)度電話系統(tǒng)。II類電氣設(shè)備級別劃分雖劇0 kh >

3、- rtniji -MICRHa孑0勺II Blie011.電4f AMICK注：孑為量大試腔m£全KSSt-MJCR為屮點瀟電號比-f V jr 1 r .電氣設(shè)備的允誨最孫表面曲度Ct)1英ISO瞇晝最爺可北灣耳盼塵450叢京塔盛苫上胳生琲駅rt4SD450 r300j < 450II撓200'J <300廠ns1351 <200TsibfVOlid ”100« J < 13；TtS5 V<100本安型電氣設(shè)備同其他型式的防爆電氣設(shè)備一樣，由于使用環(huán)境不同分為I類和n類兩種類型設(shè)備。類設(shè)備根據(jù)最小點燃電流比的不冋分為A、B、C三級，

4、見表8-1-2規(guī)定；按其最高表面溫度的不同分為六組，見表8-1-3規(guī)定。本安型電氣設(shè)備根據(jù)安全程度的不同分為和兩個等級。等級是指電路在正常工作、一個或二個故障時，都不能點燃爆炸性氣體混合物的電氣設(shè)備。當(dāng)正常工作時，安全系數(shù)為2 ； 一個故障時，安全系數(shù)為1.5 ；兩個故障時，安全系數(shù)為1。級是指正常工作和一個故障時，不能點燃爆炸性氣體混合物的電氣設(shè)備。當(dāng)正常工作時， 安全系數(shù)為2 ； 一個故障時， 安全系數(shù)為1.5。從上面安全等級劃分標(biāo)準(zhǔn)中可以看出，等級的本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的安全程度高于 等級。從技術(shù)要求上看，等級的本質(zhì)安全型電氣設(shè)備比等級的本質(zhì)安全型電氣設(shè)備要更高更嚴。本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的標(biāo)

5、志為“i。本質(zhì)安全電路是設(shè)計制造本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的關(guān)鍵所在。所謂本質(zhì)安全電路是指在電路設(shè)計時通過合理地選擇電氣參數(shù)，使電路在規(guī)定的試驗條件下，無論是正常工作或是在規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)都不能點燃規(guī)定的爆炸性混合物的電路。上述 規(guī)定的試驗條件”是指在考慮了各種最不利因素（這包括一定的安全系數(shù)、試驗介質(zhì)的濃度等）的試驗條件， 電火花”是指電路中觸點動作火花（包括按鈕、 開關(guān)、接觸器接點、各種控制接點等所產(chǎn)生的火花），以及電路短路、斷路或接地時所產(chǎn)生的電火花， 也包括靜電和摩擦產(chǎn)生的火花，熱效應(yīng)”是指電氣元件、 導(dǎo)線過熱形成的表面溫度及熱能量和電熱體的表面溫度及熱能量，正常工作”是指

6、本質(zhì)安全型電氣設(shè)備在設(shè)計規(guī)定的條件下工作，規(guī)定的故障狀態(tài)”是指除 可靠元件或組件”夕卜，所有與本質(zhì)安全性能有關(guān)的電氣元件損壞或電路連接發(fā)生的故障，諸如電氣元件短接、晶體管或電容擊穿、線圈匝簡短路等均為規(guī)定的故障狀態(tài)。可靠元件或組件”是指在使用、存儲和運輸期間不會出現(xiàn)影響本質(zhì)安全電路安全性能的故障的元件或組件。本質(zhì)安全型電路詳解 火花放電二、火花放電本安型電路無論是在正常工作狀態(tài)下，還是在規(guī)定的故障狀態(tài)下，所產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)都不能點燃規(guī)定的爆炸性混合物。這里所指的電火花是廣義的，它包括電路中兩個電極間的放電火花，也包括電路切換時產(chǎn)生的電弧，以下統(tǒng)稱電路的放電火花。電路的放電火花，是電氣設(shè)備在

7、實際運行中由于開關(guān)觸點的開閉和電路絕緣損壞形成短路而產(chǎn)生的。而電路絕緣損壞形成短路所產(chǎn)生的電火花相當(dāng)于開關(guān)觸點閉合時所 產(chǎn)生的電火花。所以在研究本安電路的電火花時，只需研究開關(guān)觸點開閉時的放電火花就行了，放電火花的能量大小是研究本安型電路的核心。放電火花是電源能量和電路中儲能元件的儲存能量向通斷的電極間隙放電的現(xiàn)象（釋放能量），是電路的電子流和電極間氣體電離的離子流形成的導(dǎo)電帶。放電火花含有熔融的金屬粒子和蒸氣（即液態(tài)金屬橋），在極高的電流密度作用下產(chǎn)生高溫和大量的熱能。當(dāng)這種能量超過了周圍爆炸性 混合物的最小點燃能量時就會引起爆炸。通常認為電路放電有三種型式：火花放電、 弧光放電和輝光放電。

8、火花放電的特點是低電壓大電流放電，如本安電路中的電容放電、化學(xué)電源放電均屬于火花放電?；」夥烹姙楦邏簱舸r產(chǎn)生的放電，它可以產(chǎn)生持續(xù)電弧，電流密度大、 能量集中、 點燃周圍環(huán)境中爆炸性混合物的能力強，電感電路能產(chǎn)生弧光放電。輝光放電是在高電壓小電流的條件下發(fā)生的， 通常認為電壓在200300V以上才能發(fā)生輝光放電。輝光放電的特點是能 量不集中， 散失大，點燃周圍環(huán)境中爆炸性混合物的能力差。不同性質(zhì)的電路（電阻性、特點產(chǎn)生不同的影響。本質(zhì)安全型電路詳解電阻電路的火花放電1、電阻電路的火花放電電阻電路沒有儲能元件，是最簡單最基本的電路。電阻電路通斷時所產(chǎn)生的電火花的能量來源于電源，放電過程比較簡單

9、。電阻電路的火花放電電路如圖8-1-6所示。當(dāng)電路斷開時，電極間接觸面急劇減小，接觸部位間的電流密度又急劇增加，可高達10-1 ' 10-A/mnr而電極間電壓逐漸增大。在電壓和電流的作用下，電極迅速熔化形成 金屬橋。而后產(chǎn)生的金屬蒸氣破壞了金屬熔橋，電極間電阻變大，電極間電壓隨之上升，當(dāng)電壓高于起弧電壓時就會產(chǎn)生電弧放電。當(dāng)電路的電感大于0.2uH時就會產(chǎn)生起弧電壓。通過以上分析可以看出，電阻電路的火花放電是在一定的電流和電壓作用下才能發(fā)生的。只有在火花放電功率相當(dāng)大的情況下，放出適當(dāng)大小的能量，才有可能點燃爆炸性混合物。如果火花功率相當(dāng)小，即使火花放電時間長，也是不會點燃爆炸性混合

10、物的。同開關(guān)通斷速度對電火花能量的大小也有影響。研究表明：火花放電能量與電源電壓、電路電流、 火花放電持續(xù)時間三因素乘積成正比。因此，開斷電氣參數(shù)一定的電路（電源電壓和電路電流一定），其火花放電的能量卻是不一定的，而是隨著火花放電持續(xù)時間和放電波形而變化的，持續(xù)時間越長，火花放電能量就越大。所以，對于電阻電路的斷開時產(chǎn)生的火花，慢速度斷開比快速斷開更危險。電阻電路閉合時火花放電與斷開時火花放電在現(xiàn)象和效果上是一樣的。本質(zhì)安全型電路電感電路的火花放電2、電感電路的火花放電電感電路是由電感和電阻組成的電路，其火花放電電路如圖 8-1-7所示。電路中的電感元件是儲能元件，它可以把電路的能量以磁能的形

11、式儲存起來，當(dāng)電路發(fā)生通斷變化時， 又能釋放能量。電感電路的火花放電過程較為復(fù)雜，其火花放電功率和能量分為兩個部分： 一部分來自電源，一部分來自電感元件，并且電感元件中的磁場能量是主要的，而來自電源能量是次要的。 當(dāng)電感電路斷開時，除具有電阻電路的放電過程外，最I(lǐng) 一主要是電感元件磁場儲能的放電過程。這時，電路的電極迅速離開，電極間電阻突然增大，電流急劇下降，電流變化率很大，在電極間隙處產(chǎn)生了很高的反電動勢，電感的儲能在放電間隙處發(fā)生放電。放電間隙既有來自電源能量放電，又有來自電感元件的儲能放電， 放電強度大大提高，同時延長了放電時間。電感電路斷開時的電火花無論在時間上還是空間上都是比較集中的

12、，而且越是集中的火花，就越容易點燃爆炸性混合物。對于電感量較大的電感電路，火花小而集中， 容易點燃爆炸性混合物；而對于電感小的電感電路，其放電火花大而分散，不易點燃爆炸性混合物。因此，電源電壓相同的電阻電路和電感電路，其點燃電流是不同的，電感電路的點燃電流要比電阻電路的點燃電流小得多。因此在設(shè)計本安型電感電路時，應(yīng)特別注意電感儲能放電對放電火花的影響。電感電路閉合時，由于電流不發(fā)生突變，不易產(chǎn)生強烈的火花放電，因此這里不作研究。由于電感電路的火花放電是在電路斷開時產(chǎn)生的，因此電感火花也稱為斷開火花。L峯丨電悟電爲(wèi)火花般電世諾本質(zhì)安全型電路 電容電路火花放電3、電容電路的火花放電電容電路是由電容

13、和電阻組成的電路。電容電路的火花放電是在開關(guān)觸點閉合時產(chǎn)生的，而在觸點斷開時，電容電路的電容不會發(fā)生火花放電，所以電容電路火花放電也稱為閉合火花。虛窖電路的電容火花放電電路如圖8-1-8所示。在電容電路中電容是儲能元件,它把電源的能量以電能的形式儲存起來（儲能為2 °，）。當(dāng)電路閉合時，既有電阻電路放電，又有電容儲能放電。在這一瞬間，電容放電電流很大，放電又非常迅速，持續(xù)時間很短，火花放電功率和能量都很大，且能量高度集中。因此，電容電路的放電火花點燃爆炸性混合物的能力更強，危險就更大。電容電路的火花放電有兩種：一種是電容電路的電容直接火花放電，如圖8-1-8所示；另一種是電容電路的電

14、容經(jīng)串聯(lián)電阻火花放電，如圖8-1-9 。電路中電容 C經(jīng)串聯(lián)電阻R0放電， 電極間的放電電流I等于電容放電電流lb與電源電流Ic之和，即： l=lb+lc。電極間放電功率 P也等于電源放電功率 Pb與電容放電功率 Pc之和， 即 P=Pb+Pc。同樣， 兩極間的火花放電能量 A也等于電源放電能量 Ab與電容放電能量 Ac 之和， 即A=Ab+Ac 。由于電容C儲能經(jīng)過串聯(lián)電阻 R0放電， 一部分能量在電阻 R0 上消耗了，因此電容放電能量就小于（電容儲能）。同時，電源的火花放電與電容也有關(guān)，因為電容電壓也影響電源的放電。由此可見，由于串聯(lián)電阻R0的作用，電容C的放電受到限制，同時也限制了電源的

15、放電，從而大大地限制了電容電路的火花放電的能量，降低了火花放電點燃爆炸性混合物的可能性，提高了電容電路的本質(zhì)安全性能。尺/ Ab* 11二口 +T7 1V 1區(qū)S> 19史孝電蠱比電容經(jīng)帶聯(lián)電旺火疋牧電電昂通過對上述三種本安電路的研究，我們知道電路的火花放電具有一定的能量，當(dāng)這種能量達到一定數(shù)量級時將會引燃爆炸性混合物。使爆炸性氣體混合物點燃的最小能量就 是電火花的最小點燃能量。最小點燃能量是研究本質(zhì)安全防爆性能的基本概念，最小點燃能量的數(shù)值是爆炸性混合物級別的標(biāo)志。最小點燃能量是在特定的試驗條件下（最易點燃 的放電方式，最易點燃的爆炸性混合物的濃度），通過專門的試驗裝置測定的，其數(shù)據(jù)有

16、較高的準(zhǔn)確性，是設(shè)計和評價本安電路的重要依據(jù)。我們已經(jīng)知道放電火花能量的大小與電源電壓、 電路電流、 火花持續(xù)放電時間三因素乘積成正比，那么點燃爆炸性混合物的最小電流和電壓的測定也是非常重要的。最小點燃電流和最小點燃電壓是防爆檢驗單位 在規(guī)定試驗條件下，通過大量的火花試驗而確定的點燃爆炸性混合物的最小電流和電壓，并繪制了最小點燃電流和電壓曲線。最小點燃電流和電壓曲線是設(shè)計、使用和檢驗本安電路的重要依據(jù)。三種不同電路火花放電的最小點燃電壓、電流曲線如圖8-1-10圖8-1-17所示。點此查看曲線圖為了保證本安電路的防爆性能，在設(shè)計、 檢驗和使用本安電路時，要使電路有足夠的安全裕度系數(shù)，這就是本安

17、電路的安全系數(shù)。對于不同的電路，安全系數(shù)的計算也不K-皐巒號鼠百 同。對電阻電路、 電感電路， 其安全系數(shù) （X）的計算公式： "戲L屋大允許電逬 對電容電路：r.星小點鏗電壓札二莊聶天無勰EI本安電路放電火花點燃能力的大小是受電路的電壓、電流、 電感、 電容等電氣參數(shù)直接影響的，同時也受到一些非電氣參數(shù)的影響，如爆炸性混合物的濃度、成分、濕度、溫度、 流動速度， 以及電極觸頭的材質(zhì)、形狀、 分合速度等諸多因素的影響。不同成分的爆炸性混合物， 其火花點燃能力是不同的。 即使是同種成分的爆炸性混合物，由于濃度的不同， 其最小點燃能量也是不同的。爆炸性混合物的溫度越高，所需能量越小，越易

18、點燃； 濕度越大， 越不易點燃； 爆炸性混合物的流動速度越大，越易點燃。至于電路的電壓、電流、 電感、 電容對放電火花點燃能力的影響在前面的各種本安電路中已 作過研究，這里不再復(fù)述。三、防爆措施通過本安電路的研究已經(jīng)知道，無論何種本安電路都有產(chǎn)生火花放電的可能。為了使本安電路或本安電氣設(shè)備能安全使用，必須在設(shè)計和制造時米取措施，以盡量減少電路分合時產(chǎn)生的放電火花。通過前面對電路的研究知道，降低電壓或電流， 是減小放電火花，提高本安電路安全性能較為有效的方法，但這樣又不能滿足電路或電氣設(shè)備對功率和性能的要求。為提高本安電路的使用功率，通常采用下列方法：1、電容電路可采用電容儲能經(jīng)電阻放電的方法減小電火花放電能量（其原理在前面的研究中已經(jīng)闡述，這里不再贅述）。2、 電感電路可采用三種方法來減小電感放電火花能量： 在電感 元件兩端并聯(lián)電阻； 在電感元件兩端并聯(lián)電容；在電感兩端并聯(lián)二極管。1 &ixMJ / * . g 1% JL i| i白 is t*t-fflS-l-19電感元峰笄底電討麻走鉅電康電感兩端并聯(lián)電阻的火花放