齐纳式安全栅的结构原理

在电路中采用快速熔断器、限流电阻或限压二极管以对输入的电能量进行限制，从而保证输出到危险区的能量。它的原理简单、电路实现容易，价格低廉，但其自身原理的缺陷使其在应用中的可靠性受到很大影响，并限制了其应用范围，其原因主要是：安装位置必须有非常可靠的接地系统，并且该齐纳式安全栅的接地电阻必须小于1Ω，否则便失去防爆安全保护性能，显然这样的要求是十分苛刻并在实际工程应用中难以保证。要求来自危险区的现场仪表必须是隔离型，否则通过齐纳式安全栅的接地端子与大地相接后信号无法正确传送，并且由于信号接地，直接降低信号抗干扰能力，影响系统稳定性。齐纳式安全栅对电源影响较大，同时也易因电源的波动而造成齐纳式安全栅的损坏。

1.输入端用齐纳式安全栅

1）配二线制变送器、电源与变送器共地时用的齐纳式安全栅，其原理电路及与变送器组成的系统如图4-4-2所示。

图4-4-2 配二线制变送器、电源与变送器共地时用的齐纳式安全栅原理电路及与变送器组成的系统图

图中E_D为电子集成化浮动电源，当供电电源在DC 18～35V范围内大幅度变化时，它能保证安全栅性能稳定和不被损坏，并且在与变送器组成系统时，能提供给变送器高达DC19V的电压，这不仅能满足各类引进变送器的要求，也解决了DDZ—Ⅲ型系列变送器配齐纳式安全栅的难题，这是由于DDZ—Ⅲ型变送器的最低供电电压为DC 17V，引进的齐纳式安全栅无法达到这一要求。Z为电子变阻式限流电路，其作用是保证现场出现短路故障时，安全栅内阻迅速增大，将电流限制在25mA以下。

由于这是一个单通道安全栅，只接到变送器的一根导线上，另一根导线直接接地，只能用于变送器与电源共地的测量系统，一般是用于独立电源的情况。这种齐纳式安全栅的另一种型号内部带有一只250（1±0.1%）Ω的精密电阻，可直接输出DC 1～5V电压信号。

2）配二线制变送器双通道保护的齐纳式安全栅，其原理电路及与变送器组成的系统如图4-4-3所示。

图4-4-3 配二线制变送器双通道保护的齐纳式安全栅及与变送器组成的系统图

当变送器与电源不共地时，两个通道都需要保护。在安全栅安全侧的两个端子的任一个上有高的危险电压时，分别通过各自的齐纳二极管电路进行保护。危险侧短路时，则由电子变阻式限流电路Z将电流限制到25mA以下。图中，R_B为安全栅阻抗，R_a为负载仪表（如调节器、记录仪等）的输入阻抗，R_L=r₁+r₂为传输导线阻抗，R_B+R_a+R_L作为变送器的负载。R₀为变送器容许负载阻抗，则应满足

R_B+R_a+R_L≤R₀ （4-4-1）

R_B的大小取决于电源E与变送器无负载工作电压U₀的差值，即

E一般为22～26V，按最小值22V考虑，负载仪表输入阻抗R_a一般为250Ω，则可得

R_a+R_L≤R₀-250Ω （4-4-2）

对U₀为12V的变送器，由式（4-4-2）R₀=500Ω，则要求(www.xing528.com)

R_B+R_L≤250Ω （4-4-3）

这类安全栅阻抗R_B=130Ω（20mA时），因此仅适用于U₀较低的变送器。

输入端用齐纳式安全栅还有以下类型：与不接地热电偶和高内阻二次仪表相配用的齐纳式安全栅，与不接地热电偶和低内阻二次仪表相配用的齐纳式安全栅，与三线制热电阻配用的齐纳式安全栅，配脉冲量输入、带隔离电容的开关量输入用的齐纳式安全栅等。

2.输出端用齐纳式安全栅

输出端用齐纳式安全栅在安全侧接调节器类仪表的输出。调节器类仪表接输出形式分为发射极输出和集电极输出两种，分别采用不同的齐纳式安全栅。

1）配发射极输出型调节器的齐纳式安全栅电路及系统组成如图4-4-4所示。

图4-4-4 配发射极输出型调节器的齐纳式安全栅电路及系统组成

输出端用齐纳式安全栅在危险侧接的负载仪表一般为电气转换器或电气阀门定位器。

发射极输出时，调节器可与安全栅共地，故采用单通道保护。二极管VD用于防止信号极性接反时损坏安全栅。

2）配集电极输出型调节器的齐纳式安全栅电路及系统组成如图4-4-5所示。

图4-4-5 配集电极输出型调节器的齐纳式安全栅电路及系统组成

由于调节器输出电路两个输出端均不接地，故需选用双通道齐纳式安全栅。