光耦等器件在本质安全电路中的典型应用

摘要本质安全设备是爆炸性危险场所经常使用的设备，本质安全型“i”是一种重要的防爆型式。本文通过介绍几种器件的应用，分析设计本质安全电路时需要注意的问题，并结合实例进行说明。

【关键词】本质安全设备 本质安全型“i” 本质安全电路

电火花是随着电路的接通和断开而产生的，是电源能量和电路中储能元件储存的能量，在通断电路点的放电现象。限制电火花能量从而达到安全的目的，这正是本质安全电路需要做的工作。本质安全设备是爆炸性危险场所经常使用的设备，本质安全型“i”是一种重要的防爆型式。本文通过介绍几种器件的应用，分析设计本质安全电路时需要注意的问题，并结合实例进行说明。

1 定义

本质安全电路：在GB3836.4-2010规定的条件下，包括正常工作和规定的故障条件，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。

本质安全设备：所有电路为本质安全电路的电气设备。

本质安全型“i”：电气设备的一种防爆型式，它将设备内部和暴露于潜在爆炸性环境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能产生点燃的水平。

2 介绍几种器件的应用

2.1 二极管

有些电池充电端直接施加在电池两端，而未经过限流电阻，这样就存在电池通过充电端子放电的危险。为防止该危险，可以在电池的充电回路中串联防止电池放电的反向二极管，二极管的个数需要根据保护等级确定。还有些电池充电端虽未直接施加在电池两端，而是经过一级保护板，如锂电池，但是根据保护等级施加故障，同样存在电池通过充电端子放电的危险。这里需要注意的是，二极管必须与电池灌封为一个整体，如果加在充电器中，则形同虚设。灌封就是为保证电路本质安全性能的需要，将电路中某些电气元件或电路的某一部分用绝缘胶（如环氧树脂、硅橡胶等）灌封起来构成一个整体，以达到防爆的目的。

外部供电的本质安全设备，电源输入端可以串联二极管，从而减小设备最大内部电容Ci。因为电容无法通过反向二极管并联到电源端。二极管的个数仍然需要根据保护等级确定。这里需要特别注意的是，选用关联设备时，关联设备的最高输出电压Uo不能大于本质安全设备的最高输入电压Ui。

在隔爆兼本质安全型声光报警器的报警电路中，常常会有比较大的电容。这个电容还不能减小到满足本质安全的范围，否则声音会比较小，不满足声级强度的要求。为了解决这个问题，可以在报警电路的供电回路中串联二极管，并将整个报警电路包括二极管灌封起来，只将喇叭放在外面。这样电容就无法通过反向二极管放电到爆炸性环境。同时要考虑电容不能通过喇叭放电。二极管的个数根据保护等级确定。

在设计隔爆兼本质安全型电源时，为了滤波，在输出端会串联电感。但是这个电感会减小电源的最大外部电感Lo，即减小电源的带感性负载能力。为了解决这一矛盾，可以在电感两端并联二极管，电感通过二极管放电，从而减小本质安全电源输出能量。二极管的个数需要根据保护等级确定。燃气表、本质安全型电动球阀内部的电机电感值一般比较大，如果电机是单向的，也可以在电机两端并联二极管。这样电机通过二极管放电，实现本质安全电路。在这里电机和二极管必须灌封为整体，电机无端子直接放电到爆炸性环境。前面讲到的隔爆兼本质安全型电源输出端的电感和二极管不需要灌封为整体是因为置于隔爆壳体内。

2.2 光耦

光耦可用于隔离本质安全电路与非本质安全电路，特别是信号的隔离。比如隔爆兼本质安全型分站，输入信号是本质安全的，内部电路是非本质安全的，这时就可以采用光耦进行隔离。

即使隔爆兼本质安全型分站的输入信号是本质安全的，内部电路也是本质安全的，也要考虑光耦隔离。这样做的目的是为了对多路信号进行隔离，防止多路信号发生并联，进而多路电源发生并联，不满足本质安全电路的要求。在设计大的系统时，比如监控系统，也要考虑隔离，防止信号发生并联，进而多路电源发生并联，不满足本质安全电路的要求。在设计有多路电源输出的隔爆兼本质安全型电源时，各路输出电源之间不允许共地，也是为了防止多路电源发生并联，影响本质安全性能。

2.3 继电器

在起动器等大型设备中，经常用到继电器，用于本质安全信号控制非本质安全电路的通断。一般情况下，本质安全电路和非本质安全电路不允许接到同一个继电器的不同触头上，否则需用绝缘隔板或接地金属隔板隔离。

2.4 电阻

燃气表、本质安全型电动球阀内部的电机如果是单向工作，可在电机两端并联二极管实现本质安全电路。如果是双向工作，可采用串联电阻或是并联电阻的方式进行处理，实现本质安全电路。串联电阻就是通过减小电机的工作电流，从而满足电机的本质安全性能，同时还必须考虑满足电机的工作性能。并联电阻与并联二极管的原理类似，只是并联电阻可用于双向工作的电机，电机可通过电阻放电，实现本质安全电路。在这里电机和电阻必须灌封为整体，电机无端子直接放电到爆炸性环境。

电阻用来限制电池电流，不考虑电池内阻，要求电阻功率P≥（U2/R）×1.5，其中U是电池电压，R是电阻值。这时P往往比较大，因为R不可能选得很大。为了满足本质安全性能，电池和限流电阻需要灌封为整体，如果电阻功率太大，体积就大，就不太好和电池一起灌封在电池盒内。为此，可再串一只熔断器，这时电阻功率只需要满足P≥1.5×（1.7×In）2×R，其中In是熔断器额定电流。

对于相比电压等级电容偏大的电路，可串联限流电阻，实现本质安全性能。将电容和电阻灌封为整体，这样就有一个等效电容，等效电容的大小由原电容和降低系数的乘积获得。串联电阻越大，降低系数越小，等效电容就越小。

3 结语

本文简单介绍几种器件在本质安全电路中的典型应用，分析设计本质安全电路时需要注意的问题，及可以采取的解决方式。具体电路需按照可靠器件、计数故障与非计数故障进行分析，包括器件的功率、电压、电流、间距等具体内容。

参考文献

[1]GB3836.4-2010.爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备[S].

[2]康华光.电子技术基础 模拟部分[M].(第四版).北京：高等教育出版社,1999.

作者单位

国家安全生产重庆矿用设备检测检验中心重庆市400037

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