本安相关计算:Uo/Io/Po 与 Co/Lo

本安计算只有四组参数和一条曲线,但 90% 的初学者都会在"最坏情况取值"和"电子限流源打折"上翻车。本篇把点燃曲线法彻底讲透,并用标准附录 A 自己的例子做一遍演示。

系列 本质安全电路设计十讲 · 04/11阅读 约 15 分钟对应标准 GB/T 3836.4-2021 附录 A(规范性)、10.1、10.4

一、两套参数,六个数

本安系统的能量边界由两套参数描述:

关联设备(输出侧): - Uo:最大开路输出电压; - Io:最大输出电流(短路电流); - Po:最大输出功率; - Co / Lo:最大允许外部电容 / 电感。

本安设备(输入侧): - Ui / Ii / Pi:最大允许输入电压 / 电流 / 功率; - Ci / Li:设备内部等效电容 / 电感。

匹配规则一句话:Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Ci+Cc、Lo≥Li+Lc(Cc/Lc 为电缆分布参数)。

图示图 4-1|本安参数体系对应关系图

左右两块铭牌样式卡片(关联设备 vs 本安设备),五组箭头一一对应,标注"≤"或"≥"方向与电缆参数 Cc/Lc 的加入位置

二、点燃曲线法:附录 A 的核心工具

GB/T 3836.4-2021 附录 A(规范性)给出了用参考曲线和数据表评定本安电路的方法:

  • 图 A.1 / A.2:电阻性电路的最小点燃电流-电压参考曲线(IIC / IIB 分列);
  • 图 A.3 / A.4:电容性电路的电压-允许电容参考曲线;
  • 图 A.5 / A.6:电感性电路的电流-允许电感参考曲线;
  • 表 A.1 / A.2:对应的数据表形式。

评定的三步法(附录 A.2):

  1. 确定最坏实际情况:考虑元件容差、供电电压波动、绝缘故障和元件故障;
  2. 施加安全系数:按 10.1.4.2 的规定,对电压限定型电路取 1.5 倍电压、电流限定型取 1.5 倍电流(ia/ib 适用);
  3. 查曲线核对:用加严后的参数对照参考曲线/数据表,判定电路是否在点燃边界以内。
图示图 4-2|点燃曲线取点三步法示意

一条典型电阻电路点燃曲线(纵轴电流、横轴电压),标注:工作点→乘 1.5 加严→新点必须落在曲线下方安全区;安全区用浅绿色填充

注意曲线的适用范围:附录 A 明确提醒,参考曲线和数据表仅适用于简单电路(线性、单一特性的电路)。许多实际电路具有非线性输出特性,不能用曲线直接评定——这也解释了为什么火花试验装置仍是最终裁判(10.1)。

三、最坏情况取值:容差与故障叠加

计算 Uo/Io 的灵魂是"往最坏方向取":

例:齐纳栅输出电压 齐纳二极管标称 15V、容差 ±5%、电源波动 +10%: Uo = 15 × 1.05 × 1.10 ≈ 17.3V,而不是 15V。

例:限流电阻决定的短路电流 Io = Uo(max) / R(min),其中 R 取电阻的下偏差(如 ±1% 精密电阻取 0.99R)。

标准条款卡片
标准条款卡片 GB/T 3836.4-2021 附录 A.2:评定时应考虑容差、供电电压波动、绝缘故障和元件故障,确定最坏的实际情况;并按电气设备保护等级施加适当的安全系数。7.1 也明确:例如制造商规定为 10×(1+10%)V 的齐纳二极管,应认为其电压最大值为 11V。

四、电子限流源:别忘了"打折条款"

这是本安计算里最隐蔽的坑。附录 A 特别指出:

标准条款卡片
标准条款卡片 GB/T 3836.4-2021 附录 A 注:直流电路的点燃电流可能低于以开路电压和短路电流为基础的参考曲线(图 A.1)给出的数值;对于某些型式的线性电路,其最大允许电流可以仅为参考曲线给出的五分之一。

也就是说:对于晶体管/集成电路构成的有源电子限流电路,不能直接拿短路电流去查曲线——要按曲线值的 1/5 来核算,或依靠火花试验验证。设计有源本安电源/隔离栅时,这一条直接决定限流值能设多大。

图示图 4-3|电阻限流 vs 电子限流的评定差异示意

同一点燃曲线上两条评定位移:电阻限流源直接按短路电流查点;电子限流源标注"曲线值×1/5 后再核对",红色警示框强调

五、电缆参数:挤占预算的"隐形元件"

连接关联设备与本安设备的电缆自带分布电容 Cc 和电感 Lc,它们占用 Co/Lo 的预算:

  • Cc = 电缆单位长度电容 × 长度(普通仪表屏蔽电缆典型约 200pF/m);
  • Lc = 电缆单位长度电感 × 长度(典型约 1µH/m);
  • 判定式:Ci + Cc ≤ Co 且 Li + Lc ≤ Lo。

反过来的工程用法是算最大允许电缆长度:L(允许) = min[(Co−Ci)/Cc′, (Lo−Li)/Lc′]。实际项目里,电容通常是先触顶的那一项,长距离回路要选低电容电缆。

图示图 4-4|电缆分布参数核算示意

安全栅—电缆—变送器的回路图,电缆段放大显示分布 C/L 链,两端标注 Ci+Cc≤Co、Li+Lc≤Lo,底部给出"允许电缆长度"计算条

六、附录 A 原例演示:20V 电池 + 300Ω

附录 A.3 自己给了一个示范电路,我们照着走一遍,建立完整手感。

电路:IIC 电路,20V 电池串接适当安装的 300Ω 精密限流电阻作为电源,向一个 1100Ω / 100mH 的电感器负载供电。

评定一:电源本身是否本安 - 短路电流 Icc = 20V / 300Ω ≈ 66.7mA; - 施加 1.5 倍安全系数 → 按 100mA 核对电阻性电路参考曲线(IIC,30V 档); - 查曲线判定电源处于安全区 → 电源侧通过。

评定二:接入负载后的回路 - 回路总电阻 300+1100=1400Ω,电流 20/1400 ≈ 14.3mA,乘 1.5 → 21.4mA; - 电感 100mH(按最大值取),对照 IIC 电感电路曲线在该电流下的允许电感值; - 标准按"分别评定,再考虑连接负载的影响"处理,两个单项均满足则回路成立。

图示图 4-5|附录 A 原例电路与两次评定示意

左侧电路图(20V 电池+300Ω+1100Ω/100mH 负载),右侧两幅小曲线图分别标注评定一(电源短路点)与评定二(电感支路工作点

这个例子的精髓在于"先评电源、再评负载、最后看组合"的分解思路——复杂电路的评定都是从这里长出来的。

本篇小结

  • 两套参数六个数 + 匹配规则:Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Ci+Cc、Lo≥Li+Lc;
  • 评定三步法:最坏情况 → 1.5 倍安全系数 → 查曲线(附录 A.2);
  • 齐纳管 10×(1+10%)V 要按 11V 算——容差方向永远取最坏;
  • 电子限流源可能要按曲线值 1/5 核算,这是有源方案最大的坑;
  • 电缆 Cc/Lc 挤占 Co/Lo 预算,先算出允许电缆长度再画回路。

下期预告:第 5 篇《元器件选型:可靠元件与可靠组件》——为什么有的电阻可以"信任"、有的电容天生不可靠?齐纳管为什么要用两只?下一篇见。


参考资料 1. GB/T 3836.4-2021 附录 A(规范性)、10.1、10.4、7.1 2. GB/T 3836.1-2021(温度评定关联条款)

免责声明:文中曲线数值为方法演示,实际评定请使用 GB/T 3836.4-2021 附录 A 正式曲线图与数据表。

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