设计对象:线性与非线性电路的两条验证路线

前六篇把"电路设计"讲完了,本篇回答"怎么证明设计是安全的"。同一份计算书,有的电路查查曲线就能收工,有的必须送进火花试验装置里被"反复打火"。分界线只有一条:电路是线性还是非线性。 这条路线在架构阶段就要选好,中途切换代价极大。

系列 本质安全设计思维 · 08/09阅读 约 10 分钟对应标准 GB/T 3836.4-2021 附录 A(本安电路的评定)、10.1(火花点燃试验)、附录 B(火花试验装置)、附录 H(半导体限能电源电路的点燃试验)

一、点燃曲线:本安世界的"地图"

附录 A 给出了每个气体类别(I 类、IIA/IIB/IIC)的最小点燃曲线族:横轴电路电压,纵轴最小点燃电流——曲线下方的组合不会点燃。这套曲线来自大量火花试验数据的归一化,是本安评定的基础地图。

用图的方式很直接:把电路的最坏情况工作点(考虑故障叠加、再乘 1.5 倍安全系数后的电压/电流)画到曲线上,落在曲线下方即通过。同时可以从曲线上读出该电压下允许的最大外部电容 Co、电感 Lo——它们划定回路允许挂载的"储能天花板"。

图示图 8-1|点燃曲线上取工作点

IIC 点燃曲线(电压-电流坐标系),某电路最坏工作点(含 ×1.5 标注)落在曲线下方"安全区",旁边小表给出对应电压下的 Co、Lo 参考值

二、线性电路:查表法、查曲线法

线性电路 = 用电阻限流的电路:输出特性是一条直线,最坏情况(最高电压、最大电流、最大功率)可以用解析法直接确定,且参数之间没有"意外形态"。

这类电路走查表法/查曲线法的完整流程:

  1. 确定评定状态:正常 + 规定计数故障(ia 两个 / ib 一个),取各状态最坏参数;
  2. 施加 1.5 倍安全系数(ia/ib);
  3. 在对应气体类别的点燃曲线上取点判定;
  4. 查得 Co、Lo,与设备自身 Ci、Li 及电缆分布参数 Cc、Lc 一起做匹配:Co ≥ Ci + Cc,Lo ≥ Li + Lc;
  5. 记录评定过程(第 13 章文件要求)。

线性路线的代价低、可自证——这也是为什么传统安全栅、电阻限流电源的认证周期短、变更多方便。

三、非线性电路:计算 + 火花试验

非线性电路 = 半导体限流/恒流电路:电子限流的输出特性不是直线,曲线族的"直线性前提"不成立——最坏情况不再能用解析法锁定,工作点可能在曲线族上"漂移"。

对这类电路,标准的态度是两段式:

  1. 计算仍要做:按半导体限流电路的最不利特性做本安计算,取比线性更保守的工况(附录 H 对半导体限能电源电路有专门规定,包括更严的评定条件);
  2. 最终靠火花试验:把样品送进附录 B 规定的火花试验装置——在规定的气体混合物中,用标准电极系统在电路最敏感参数组合下产生规定数量的火花,验证"打不出点燃"。

火花试验装置是两根钨丝电极压在旋转的镉盘上,试验前先用标定电路校准装置灵敏度(参数见标准 10.1/附录 B),不合格的装置做出来的"通过"是无效的。

图示图 8-2|两条验证路线对比

左路(线性):计算书→查曲线→取点判定→Co/Lo→文件;右路(非线性):保守计算→样品→火花试验装置(镉盘+钨丝电极示意)→试验报告;两路终点同标"认证通过"

四、路线选择的工程含义

维度 线性(电阻限流) 非线性(半导体限流)
评定方式 查表/查曲线,可自证 计算 + 火花试验
输出特性 软(负载重则电压跌) 硬(恒流,输出能力强)
变更灵活性 换参数可快速重评 大变更可能重做试验
典型应用 安全栅、简单供电 本安电源、恒流输出回路

三条经验:

  1. 路线在架构阶段就定了:方案评审时就要问"这电路线性吗",非线性方案的试验成本、周期要提前入预算;
  2. "半线性"要警惕:带软启动、恒流环的电路,任何工况下输出特性出现非线性的区段,都要按非线性对待——不要侥幸按线性查曲线;
  3. 试验不是兜底:火花试验是验证,不是设计手段;把"反正要打火花"当成不认真计算的借口,试验失败的整改成本会加倍奉还。

本篇小结

  • 点燃曲线(附录 A)是本安评定的基础地图,线性电路的工作点(×1.5 后)落在曲线下方即通过,并读出 Co/Lo;
  • 线性电路信曲线(查表法/查曲线法),非线性电路信试验(计算 + 火花点燃试验,10.1/附录 H);
  • 参数匹配别忘了电缆:Co ≥ Ci + Cc、Lo ≥ Li + Lc;
  • 路线选择在架构阶段锁定,非线性方案的试验成本与周期提前入预算。

下期预告:第 9 篇《产品形态与认证闭环》——供电、受电、隔离、电池四类产品怎么拼成一个本安系统?标志上的参数从哪来?下一篇见。


参考资料 1. GB/T 3836.4-2021 附录 A、第 10.1 条、附录 B、附录 H 2. GB/T 3836.1-2021 第 26 章

免责声明:本文为科普介绍,点燃曲线取值、火花试验条件与标定参数以标准原文和附录为准。

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