市电供电下，隔爆本质安全型直流稳压电源的设计示例

本质安全型电气设备和电路的设计是较为复杂的，既要满足设备应该具有良好的基本性能，又要保证设备具有合适的防爆安全性能。这种防爆型式的电气设备是多种多样的，所以只能按照基本的设计原则举例说明。

这里仅以本质安全型直流稳压电源为例，简单地讨论一下本质安全性能设计的基本概念。

【例6.15】 设计一种由市电供电的隔爆·本质安全型直流稳压电源。已知设计条件为：

●供电电压：U_i=220V；

●额定输出电压：U_o=6V；

●额定输出电流：I_o=55mA（波动范围：55～45mA）；

●防爆标志：Exd[ia]ⅡCT6Gb。

●其他指标（暂不考虑）。

根据设计条件给出的参数，按照上一节提出的一般设计原则，可以按照以下步骤进行工作。

1.电路设计

（1）确定性能指标

根据题意，本质安全型直流稳压电源的性能指标如下：

●额定输入电压：U_i=220V（交流有效值，最高电压U_m按250V计）；

●额定输出电压：U_o=6V；

●额定输出电流：I_o=55mA（波动范围：55～45mA）；

●防爆级别：ⅡC；

●温度组别：T6；

●设备保护级别：Gb。

●其他指标。

（2）确定电路方案

根据题意，本质安全型直流稳压电源由市电供电，额定输入电压按220V（50Hz，交流有效值）计。

由电子技术基础可知，要想从交流电得到直流电，必须经过交流电的变压（降压）、整流、滤波以及稳压限流等环节。对于本质安全电路，经过这些环节后还必须进一步地进行危险能量隔离处理。

于是，确定本质安全型直流稳压电源电路方案示意图如图6.30所示。

在图6.30中，FU为快速熔断器；T为电源变压器；R为限流电阻器；VD₁～VD₄为桥式整流单元；IC₁为集成稳压器；IC₂为二极管安全栅；VS为稳压二极管。在这个电路方案中，电源变压器能够防止交流侧高压对后续电路可能发生的冲击危险，集成稳压器环节起限压限流的作用，安全栅环节起隔离危险能量的作用，确保输出电压和输出电流的本质安全性能。

图6.30　本质安全型直流稳压电源电路方案示意图

（3）计算电路参数和选择元器件

1）选择安全栅IC₂

本质安全型直流稳压电源输出端安全栅采用二极管安全栅（齐纳安全栅），如例6.7所示（也可以采用其他合适的安全栅）：输入电压12～12.6V，额定输出电压9V，额定输出电流：55mA；输出电阻：181Ω。

2）选用稳压器IC₁

根据题意，选用CW7812型集成稳压器。它的输入电压：18V；输出电压：11V；最大允许电流I_CM=1A（加装散热片时）。

通常情况下，稳压器的输入端和输出端均应该并联一只电容，如图6.30所示。C₁可以进一步消除纹波，取值0.33μF；C₂能够消除自激振荡，取值0.1μF。在实际应用时，C₁和C₂应该采用固体介质电容器，并且分别由两只串联起来，组成可靠电容器组件。

3）确定整流滤波单元VD₁～VD₄

①计算变压器二次电压

根据桥式整流滤波电路理论，变压器二次电压（U₁）按下式计算：

0.9U₁≤U₂≤1.4U₁ （6.15）

式中 U₁——变压器二次电压（交流有效值）（V）；

U₂——桥式整流滤波电路输出电压，此处，即集成稳压器的输入电压（V）。

这里应该指出的是，当滤波电容为0时U₂=0.9U₁，当负载为无穷大时U₂=1.4U₁。

根据上述，令U₂=18V，U₂≥1.2U₁，于是，变压器二次电压为

U₁≥U₂/1.2=18V/1.2=15V

这里取U₁=15V。

②计算和选择整流二极管

整流二极管，通常情况下，应该能够承受的反向击穿电压为。考虑到防爆安全性能，在施加1.5倍安全系数时，则

整流二极管的额定工作电流（I_F）应该大于电源的最大额定输出电流（I_o.max）。考虑到防爆安全性能，在施加1.5倍安全系数时，则

I_F＞1.5I_o.max=1.5×55mA=82.5mA

根据计算结果，选用1N4001型整流二极管，4只。1N4001的极限参数为U_RM≥50V，I_F=1A，满足设计要求。

③计算和选择滤波电容器

整流滤波电容器的电容值按下式计算：

C=I_Ct/ΔU₂ （6.16）

式中　I_C——电容放电电流（A）（取I_o.max）；

t——电容放电时间（s）（取0.01s）；

ΔU₂——集成稳压器输入端纹波电压的峰-峰值（V），ΔU₂=（ΔU₃·U₂）/（U₃·S_V）；

ΔU₃——集成稳压器输出端纹波电压的峰-峰值（V）（这里，令ΔU₃=5mV）；

U₂——集成稳压器输入端电压（V）；

U₃——集成稳压器输出端电压（V）；

S_V——稳压系数（这里，令S_V≤3×10^-3）。计算可知，滤波电容计算值约为201μF，可取值C=200μF。

整流滤波电容器的电容值，除按照式（6.16）计算外，还可以按下式计算：

C＞（3～5）TI_C.0/2U₂ （6.17）

式中　T——交流电源的周期（s）（频率按50Hz计）；

I_C.0——整流滤波电路输出电流（A）（I_C.0=1.2I_C）；

U₂——整流滤波电路输出电压，即集成稳压器输入端电压（V）。

这里令T=0.02s，I_C.0=1.2×0.055A=0.066A，U₂=18V。将这些数据代入式（6.17）中计算可知，滤波电容计算值约为183μF，可取值C=200μF。

通常情况下，整流滤波电容器的直流工作电压U_C≥2U₁。考虑到防爆安全性能，在施加1.5倍安全系数时，则

根据计算结果，选用纸介质电容器CZ3，100μF，8只。它的相关参数为：直流工作电压U_C≥50V，容许误差Δ=±20%，满足设计要求。在安装时，先将两只串联，后将四组并联，组成可靠电容器组件。

4）计算和选择电源变压器T

根据上述计算可知，变压器二次电压U₁=15V，电流按0.5A计（小于整流二极管额定工作电流I_F=1A），于是，便可得到变压器二次（视在）功率：

P₂=U₁I_F=15V×0.5A=7.5VA

变压器二次功率按照小型变压器效率公式计算：

η=P₂/P₁ （6.18）

式中　P₁——变压器一次（视在）功率（VA）；

P₂——变压器二次（视在）功率（VA）；(www.xing528.com)

η——效率，参见表6.14。

表6.14 小型变压器的效率①

①引自谢自美.《电子线路 设计·实验·测试》.武汉：华中理工大学出版社，1994。

这里，令η=0.7，则变压器一次（视在）功率为

P₁=P₂/η=7.5VA/0.7≈11VA

于是，变压器的（视在）功率为

P=（P₁+P₂）/2=（11+7.5）VA/2=9.25VA

在施加1.5倍安全系数的情况下，则

P_1.5=1.5P=1.5×9.25VA=13.875VA

由于在上述计算中输出电流留有较大的裕度，所以变压器功率按15W计是可靠的。

此外，人们还应该对变压器进行过载和短路保护。

在变压器一次侧接入一只熔断器防止出现过载。熔断器应该能够连续地通过1.7倍的工作电流，即

I_f1=1.7×15W/220V≈0.12A

熔断器可以直接选用额定电流为0.1A的管式快速熔断器[极限分断能力应该大于1500A（按250V计）或采取限流措施降低最大预期短路电流]。

在变压器二次侧接入一只可靠限流电阻器R用于防止电源（变压器）发生短路。当把R看成变压器内阻（二次侧绕组的电阻值忽略）时，假若电源（变压器）发生短路，15V的二次端电压引起的短路电流不应该造成点燃。于是，对于ⅡC级电路，在取1.5倍安全系数的情况下，电阻器R的电阻值和耗散功率如下：

R=16.7Ω

P≈20W

R为可靠限流电阻器，可以选用金属膜电阻器RJX-5-20I，即5W，20Ω，±5%，4只。在安装时，先将2只串联，后将两组并联，或者，先将2只并联，后将两组串联。

5）选择稳压二极管VS

①预选稳压二极管

根据题意，稳压二极管VS的标称稳压值按U_Z=6V计；最大工作电流按1.5倍输出电流（I_o）计，即I_Z.max=1.5I_o（A），耗散功率按P_Z=1.5I_o.maxU_Z（W）计，于是，选用稳压二极管2CWXX。

稳压二极管2CWXX的相关参数为，稳压范围：5.5～6.5V，工作电流：5mA，耗散功率：500mW。

②确定稳压二极管的输入电压

根据题意，集成稳压器输出电压为11V，按电压波动范围±10%计，则稳压二极管VS的最大输入电压为U_I.max=12.1V，最小输入电压为U_I.min=9.9V。

③计算负载电阻

根据题意，输出电流的波动范围为55～45mA，即负载电阻的最大值为R_L.max≈133.3Ω，最小值为R_L.min≈109.1Ω。

④计算限流电阻

将这些数据代入式（6.10）中计算即可得到稳压二极管VS的限流电阻范围：最小值R_min=47.8Ω，最大值R_max=65.0Ω。

计算结果表明，安全栅的输出电阻（181Ω）不在限流电阻的最小值和最大值范围内，因此，稳压二极管VS不能正常工作。

⑤调整电路方案

在这种情况下，电路的调整方案有两种：在其他条件不变的情况下，更换安全栅，使它的输出电阻值落在限流电阻的最小值和最大值范围内，或者，调整稳压二极管，以满足限流电阻数值范围（最小值和最大值）的要求。

这里采用更换安全栅方案。新选安全栅的输入电压符合题设要求，输出电阻在50～60Ω范围内。

6）确定电源外部匹配参数

本质安全型直流稳压电源的外部匹配参数如例6.7所示：

最大外部电容C_o=1μF；

最大外部电感L_o=10mH；

最大输出功率可取P_o=1.1W。

这里应该指出的是，上述的这些外部匹配参数应该标志在本质安全型直流稳压电源的标牌上。

2.结构设计

（1）电源外壳

根据题意，本质安全型直流稳压电源的外壳为隔爆型防爆型式（ExdIIC）。隔爆外壳的设计参见第3章。

电缆进入隔爆外壳时采用直接引入方式。设置两个电缆引入装置：一个供连接市电交流电源（非本质安全）；另一个供直流电源输出（本质安全）。

根据需要，外壳材质可以采用金属材料或塑料材料制作。当采用塑料材料制作时，塑料材料必须具有抗静电性能。

（2）电路隔离

从电路原理图中可以看出，电路中设置了安全栅，实现了电气隔离；此外，机械隔离采用本质安全接线端子与非本质安全接线端子之间“50mm”的隔离措施，而且，电源中各零部件和导体之间的电气间隙、爬电距离和间距都符合表6.1和表6.2中规定的数据。

这里需要特殊指出的是，由于外壳为隔爆型防爆型式，所以不得采用“隔板”隔离措施来隔离本质安全电路与非本质安全电路。

（3）印制电路板、印制导线和铜导线

在印制电路板设计时，由于电路比较简单，采用板厚2mm、覆铜箔厚35μm的单面印制电路板。

印制电路板焊接后的处理符合前述章节的有关要求。

根据设备的温度组别（T6组）、允许载流量和可靠连接的要求，采用：

●单条印制导线，线宽为2mm；

●单根铜导线，直径为0.5mm，且导线固定牢固；

●连接点采取单点焊接。

（4）安全栅

电源输出端安全栅选用合适的市售安全栅产品。

（5）电源变压器

电源变压器符合第6.3.4节的要求，制成（或采用）可靠电源变压器。

变压器二次侧输出端的可靠限流电阻器（R）与变压器浇封在一起。

（6）标志牌

标志牌包括铭牌和警告标志牌。标志牌使用黄铜（H62）制作，且符合国家标准GB/T13306《标牌》的要求。

①铭牌的主要内容为产品名称、型号规格、最高电压、额定输入电压、额定输入电流、最大输出电压、最大输出电流、最大外部电感、最大外部电容、防爆标志和防爆合格证编号、出厂编号、制造商名称或（和）商标等。

②警告标志牌的内容为“严禁带电打开！”。

3.讨论

（1）本质安全型直流稳压电源输出端稳压二极管（VS）的工作状态

根据上述计算可知，稳压电源输出端稳压二极管的工作状态与前级的输出电阻有关。因此，人们在设计和调试电路时应该特别注意稳压二极管的参数匹配。

（2）本质安全型直流稳压电源外部匹配参数的确定

分析可知，由于安全栅的隔离危险能量作用，在确定稳压电源外部匹配参数时只能以安全栅的极限参数为依据，不要以电源输出参数为依据。

（3）本质安全型直流稳压电源的关键安全技术

根据本质安全电路理论和直流稳压电源要求，综合分析可知，对于本质安全型直流稳压电源来说，只要在电源输入端设置可靠电源变压器，防止交流侧高压对后续电路可能造成的威胁；在电源输出端设置安全栅，防止电路的危险能量窜到危险场所，这样的电源就可以保证向爆炸性危险场所供电的本质安全性能，不管这种电源是否有其他防爆型式的保护。除此之外，至于电路中的其他环节对于防爆安全性能的影响则不是主要因素。

这是因为，本质安全型直流稳压电源属于关联设备，只能安装、运行在安全场所，只要输出能量符合本质安全性能要求，就可以保证危险场所的电气安全；当被其他防爆型式（例如隔爆外壳）保护时，则可以使用在危险场所，然而，此时它已经被隔爆外壳保护，只要输出能量符合要求，它依然能够保证危险场所的电气安全。

如上所述，这里的设计示例仅仅是一种如何处理本质安全型电气设备本质安全性能基本概念的简单讨论，没有顾及设备的基本电气性能。然而，在实际的工程设计中，人们应该根据设备基本性能和防爆安全要求的具体情况作出详尽的处理。