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本质安全设备标准(IEC60079-11)的理解(五)绝对可靠器件infallible components

2023-07-13

在前面的章节中我们简单提及到绝对可靠器件, 这里重新摘抄如下:

“这里顺便说一下可靠元器件(infallible component)的理解。它在标准里面占有不少的章节,而且开始理解他也有一些费劲。本人从两个方面理解它

(1),自身的因数。一个可靠元器件自身也必须可靠。如何衡量它的自身可靠性?即它的材质要好,如电阻必须使用film类型的电阻,而且各种参数阈量比较大,如额定功率,电压,电流等参数都必须是按照最坏情况下的1.5倍来计算。最坏的情况就是各种短路,各种参数取极值的情况。这个需要根据具体电路分析得到。另外如果因为某一原因烧毁,器件本身也要根据情况选择fail to open或者fail to close.例如电阻选择film型的另一原因就是它过电流时烧毁后,会使得电路断开,即fail to open,而不是闭合(短路)。

(2)除了自身的因数,可靠元器件还需要和设备的其他部分保持“可靠的关系”。在标准中体现的就是各种距离参数。比较通俗的讲就是可靠器件离其他部分越远越好,越孤独越好!”

为什么需要绝对可靠的概念呢?

第一个直接的原因是“”绝对可靠“”就是一些元器件,电路等等的自身特性,例如一根50mil宽的导线在3v电池的作用下,它可以认为不会被烧断。

第二个原因是极大方便了本质安全电路的分析。如果一个电路中,什么参数都不确定,例如,因为电阻可能被击穿,所以电路的电阻可以是0ohm或者无穷大。这种情况下将很难分析电路,因为任何一个电压在0 ohm电阻下都会产生无穷大的电流。所以为了分析整个设备是否本质安全,可以先确定一些变量, 即保证一些器件或者电路是绝对可靠的,然后在此基础上分析其他部分的电路。例如如果电路中的某一个电阻是绝对可靠的,那么这个电路的最小阻值就能够确认,从而可以分析电路的最大电压,电流,功耗以及温度等等参数。

那么又是如何确定一个器件是否绝对可靠的呢?

在实际的评估过程中,首先是由电路设计工程师标记出电路中的绝对可靠器件,并提供必要的文档来支持。文档一般需要器件的手册(datasheet),原理图, PCB文件以及电路分析文档。然后,电路设计工程师将这些资料发送给评估机构,评估机构根据这些资料进行必要的计算和验证。

电路设计工程师和评估机构标记可靠器件的依据是什么昵?

这就是标准中第八章的内容。它列举了对以下常见的绝对可靠器件的要求:主变压器,其他变压器,可靠绕组(电感),限流电阻,电容,安全旁路电路,导线/PCB走线/连接,隔离器件等。

8.2 主变压器

要求:待补充

8.3 其他变压器

要求:待补充

8.4 可靠绕组(电感)

减震绕组: 略

电感:

电感发生失效的后果可能会导致内阻变大或者变小,同时电感值变大或者变小。其中内阻变大或者电感值变小都不用关心,因为它对本质安全电路不会起反作用。主要关注的是内阻变小或者电感变大。如果电感线圈之间短路,肯定会引起内阻的变小,所以要保证线圈之间的绝对绝缘。(使得电感值变大的原因需要待查。)

因此绝对可靠电感一定是使用绝缘导体,例如漆包线绕制而成的,它的绝缘必须满足以下条件:

1,绝缘导体内部导线的横截面直径必须大于0.05mm;这个可以理解为直径较大,线圈不易变形;

2,线圈内部的导体之间必须保证绝对绝缘。这可以通过3中方法确定;

a,线圈导体通过2层绝缘;或者

b,导体之间有1层绝缘,但是这一层绝缘是固体绝缘,并且相邻导体之间绝缘厚度大于0.5mm;或者

c,使用的通过认证的漆包线。漆包线必须通过以下认证:

IEC 60317-3, IEC 60317-7, IEC 60317-8 or IEC 60317-13 级别1

或者IEC 60317-3, IEC 60317-7, IEC 60317-8 or IEC 60317-13级别2

3, 使用满足1和2条件的导线制作电感后, 需要对其进行干燥处理。干燥之后,使用适当的物质对其进行浸透填充。浸透的方式可以是滴入,流入或者真空浸透。表面喷漆的方式不认为是浸透。

4,浸透的具体方法可以按照浸透物质的说明书要求进行。最终结果是需要保证线圈导体之间的间隙被尽可能的填满,而且导体之间粘合的比较好。

5,如果浸透物质内含有溶剂,那么需要干燥和浸透两次。

上面条件1和2是对线圈材质的要求,后面3,4,5是对制作过程的要求。

8.5 绝对可靠限流电阻

绝对可靠电阻的要求还是比较好理解的。

第一个就是它的材质是必须满足fail to open,就是说它一但损坏,这个电阻所在的电路是断开的。因此它的材质和构成可以是

a, film型电阻,或者

b, 绕线型电阻,但是它必须有保护措施,可以防止绕线断开时不会松脱。

c, 使用在混合电路或者类似电路中的印制电阻(printed resistors)。这种印制电阻有符合6.3.9的涂层保护或者根据6.6进行浇筑保护。

第二个就是电阻的额定值必须大于1.5倍的关系, 即电阻的额定电压必须大于1.5倍电路的最大电压, 同样额定功率也是最大功率的1.5倍。这里的最大电压和功率还需要考虑在故障条件下取得的值。

记得在刚开始接触本安电路设计的时候, 有一个疑问就是为什么电路中的所有电阻不使用绝对可靠电阻?这里列出本人了解的几个原因:

1,标准中定义的绝对可靠电阻都是限流电阻。对于非限流电阻,标准没有定义是否需要绝对可靠;

2,一旦某一电阻被定义为绝对可靠并通过认证,那么在产品生产阶段就必须使用该电阻,包括产家,型号等不能更换。如果因为停产,需要更换,那么需要重新认证(认证的费用不低)。从生产角度来说,绝对可靠电阻的数量越少越好,易于寻找替换产品。

3,除了上面的要求,绝对可靠限流电阻有其他要求,例如温度散热要求,间距要求,这些往往会使得选择的电阻封装较大,占用PCB空间较大。

8.6 绝对可靠电容

绝对可靠电容分两种:隔离电容器和滤波电容

隔离电容器(blocking  capacitors):

隔离电容器是由两个串联的电容构成。它整体的电容值,按照最坏的情形计算得到。最坏的情形是其中任一个电容断开或者短路。电容器的构建需要考虑1.5倍的安全因子。

隔离电容必须是高可靠性的固态介质型的,不能使用电解电容或者钽电容。

电容器两端和外部设备的连接和安装,需要符合6.3节的距离要求。

两个电容之间的内部不用考虑距离要求。

每一个电容两级之间的绝缘,或者两级和外部导体之间的绝缘,需要满足6.3.13节的介电强度试验要求。

如果隔离电容用在本安电路和非本安电路之间,那么它可以看做是容性耦合器。此时两个电路之间的能量传输需要按照最大电压和最坏情况下的电容值来评估。评估的结果必须小于章节10.7定义的允许的能量值。

上面讲的比较散, 现在总结一下:

绝对可靠隔离电容器需要满足:

1,本身材质是高可靠的,不能是电解电容或者钽电容;电极之间需要满足介电强度要求;

2,电容和周边的器件要满足间隔距离的要求,同时也要满足介电强度要求;

3,当隔离电容用作耦合器,需要评估两个电路之间的能量传输情况,不能大于允许值。

滤波电容:

这里的滤波电容指的是连接在设备外壳和本安电路之间的电容。

它需要满足6.3.13的条件,即满足介电强度要求。

当它的失效,会旁路一个本质安全电路所依赖的器件时,那么此时的滤波电容应该保证绝对可靠的间隔距离,或者符合上面讲的隔离电容的要求。

备注:

这里的滤波电容和一般意义上的电路滤波电容概念是不一样的。

这里的滤波电容特指连接设备外壳和本安电路之间的电容。它的绝对可靠性要求是保证满足介电强度和安全距离。虽然没有说必须满足和隔离电容一样的条件,但是设计的时候最好也满足上节的要求。

因为电容和电感都是储能器件,所以对于本质安全电路的设计来说, 是越少用越好。

如果非要用,那么保证电路功能的情况下,尽可能使用电阻替代电感,小电容替换大电容。

8.7 旁路安全部件(shunt safety assemblies)

这里标准中的标题含有assemblies。 assembly的意思是装配,部件,集会的意思。在这里可以理解为几个器件一起构成的电路,这个电路看做一个整体,达到旁路大电流,从而保护后级电路的作用。所以这节也就是讲绝对可靠的旁路电路需要满足的要求。

为了方面理解安全旁路电路,这里拷贝一个二极管安全栅电路:

当有过压电源从左端输入,齐纳二极管D1~D3会导通,从而使得流过保险师F的电流较大,烧断保险丝,从而保证不会有过电压进入后级电路,保证了电路安全。

当上述类似的旁路电路要达到绝对可靠,需要什么条件呢?

第一个就是,当使用二极管或者是齐纳二极管作为旁路器件,那么至少需要并联2个。(上图中有3个二极管,所有是满足这一条件的)。而且二极管的额定电流需要大于旁路发生时的最大电流。

第二个条件是上述的电阻,二极管以及保险丝的额定值需要符合7.1,即最大额定电压,电流以及功耗都必须是电路最大值的1.5倍。这里需要注意的是保险丝的选择。保险丝的选择需要保证符合7.3节的要求。

当一个旁路电路被认定为是绝对可靠的,那么当使用它的时候需要考虑以下几点:

a,旁路电路不会出现开路故障,即在分析电路的时候,不用考虑开路的状况;

b,旁路电路上的电压取当旁路导通时(上述二极管导通)最高的电压;

c,旁路失效(上述电路中某一个二极管没有导通)只计算为一个错误(fault)。直白来讲,就是不考虑2个二极管同时失效的情况,因为这个电路已经认定为绝对可靠电路,2个二极管同时失效的概率极低。

d,如果电路中使用晶闸管(thyristor)来实现旁路,即用晶闸管替换上述的二极管,那么这个电路需要按照章节10.1.5.3来进行测试。

标准中列举了两种shunt safety assemblies

1,安全旁路器(safety shunts)

安全旁路器safety shunts的定义其实和旁路安全部件shunt safety assemblies的定义没有啥区别,这里拷贝一下他们的定义:

An assembly of components shall be considered as a shunt safety assembly when it ensures the intrinsic safety of a circuit by the utilization of shunt components.

当一个使用旁路器件的电路,确保另一个电路本质安全时,那么这个使用旁路器件的电路被称之为旁路安全部件。

A shunt safety assembly shall be considered as a safety shunt when it ensures that the electrical parameters of a specified component or part of an intrinsically safe circuit are controlled to values which do not invalidate intrinsic safety.

当一个旁路安全部件shunt safety assembly确保某些特定元器件或者部分本安电路的电气参数得到控制。这些参数不会引起本安电路失效时,那么这个旁路安全部件就是安全旁路器。

确保一个电路本质安全,实际就是限流限压限功耗,就是控制电路的参数,所以上述两种定义可以理解为相同的。

在标准中,特意提到针对以下的情况,安全旁路器不需要进行瞬态分析。

a,安全旁路器用于限制储能器件的放电。储能器件可以是电感或者压敏器件等。

b,安全旁路器用于限制施加到储能器件如电容器上的电压。

基于标准特意提到上述的两种情况,那么个人猜想,安全旁路器大部分情况下就是使用在这两种情况之下的。它的主要作用就是限制电感放电,限制电容充电。

2,旁路电压限制器(shunt voltage limiters)

同样的,旁路电压限制器的定义也是类似的,它的侧重点主要用于限制进入本安电路的电压。

在标准中,特意提到,如果旁路电压限制器的前端是以下的情况,安全旁路器不需要进行瞬态分析。

a,旁路电压限制器的前端是满足8.2定义的绝对可靠变压器;

b,前端是满足9章定义的二极管安全栅;

c,前端是满足7.4的电池

d,前端是满足本章节的绝对可靠旁路安全电路。

附注:

因为在分析旁路电路的时候,需要考虑的情况比较多。特别是如果旁路电路使用在电源输入端,那么就需要考虑电源瞬态冲击的情况,需要进行瞬态分析。而如果旁路电路只是使用在系统内部,它的前端和后端的电路是已知的,那么它的分析就可以简单化。

8.8,绝对可靠的连线,PCB走线和连接

如果满足下面的条件,连线,PCB走线和连接是可以认为绝对可靠的,即不会产生开路故障的。

a,连线(wiring)

(1)如果有两根线并联,那么它就是绝对可靠的

(2)如果是单根导线,,那么导线的直径必须至少0.5mm,同时导线长度小于50mm,或者在两个接头附近有很可靠的机械固定,那么这些事绝对可靠的连线。

(3)如果连接线是缕状的,或者是排线,那么就要求它们的横截面至少0.125 mm2.(对应0.4mm的直径)。同时安装的连线不能有弯曲,导线长度小于50mm,或者在两个接头附近有很可靠的固定。

b,PCB走线

(1),如果有两根PCB走线并联,而且走线宽度达到1mm,那么它就是绝对可靠的;

(2),如果只有一根PCB走线,那么这根走线需要保证足够大的横截面, 即它的宽度要大,厚度也要足够,具体的数值是:

宽度至少2mm或者线的长度的1%,取两者之间的那个大的数值。

厚度在敷铜的情况下至少33um;或者按照10.12对其载流能力进行评估。

(3),当不同层的信号通过过孔相连,那么要求

只有一个过孔时,它的周长至少2mm;

或者2个并行的过孔,过孔的周长至少1mm;

同时把过孔的连接也看做是走线,它要满足上述条件(1)和(2)中的任一条。

(附注,例如从PCB顶层要底层,通孔的连接线的宽度,即圆柱形的截面周长满足2mm要求)

还需要过孔的电镀厚度不少于33um,或者按照10.12对其载流能力进行评估。

c,绝对可靠的连接。

这里的连接,可以理解为内部的连接,不包含外部插头,插座和端子(excluding external plugs, sockets and terminals)。

绝对可靠的连接,可以有以下情况实现:

(1),并行的两个连接;

(2),当连线可以通过一个焊接点,穿过电路板的时候。需要保证这个焊接点是正确焊接的,或者是压接,或者是铜焊,或者是电焊的。(注,这个是针对通孔连接的情况)

(3),如果是表贴器件的焊接点,那么按照表贴器件的制造商推荐的方式焊接的,就是可靠连接。(这个是针对表贴器件的)

(4),满足IEC 60079-7的单点连接;

(5),当连接位于外壳内部时,对于ia级别的设备,需要提供3个独立的连接,对于ib

需要有2个独立的连接.

8.9 电流隔离元器件

对于绝对可靠的电流隔离元器件,不用考虑它们会发生短路的故障。

(对于隔离元器件来说,大部分时间都是开路状态,所以开路应该不属于故障。但是要保证足够的间距,确保开路状态下也不会产生电火花。)

绝对可靠的电流隔离元器件分为两种应用情况,一种是用在非本安电路和本安电路之间,另一种是用于不同的本安电路之间。

初学者可能会有疑问,为什么本安电路之间也需要隔离?直接的回答是两个各自本质安全的电路,通过某种方式连接到一起构成的系统不一定符合本安要求。比较好理解的例子是两个本安电路连接到一起会增加整体电路的电感或者电容,从而使得电路中的能量更大,易于产生电火花。

(1)在非本安电路和本安电路之间的隔离器件

它要达到绝对可靠,需要满足下面的条件

a,间距满足表格5或者附录F.1的要求。因为一些隔离器,如光耦隔离器,本身就是被固态绝缘封装好的,所以表格中的一些列不适用,不需要考虑。

b,因为隔离器件的一端连接的是非本安电路,那么要保证隔离器件的安全,所以提供一定的保护措施,保证隔离器件或者其他重要元件不会超过7.1规定的额定值。标准中推荐了使用一个齐纳二极管和保险丝构成的保护电路。

同样,如果通过分析,隔离器件的另一端连接的本质安全电路也有可能要求使用保护电路,防止电路产生超过隔离器件的额定值的电流或者电压。

c,隔离器的两端之间需要满足介电强度的要求。

(2)用于不同的本安电路之间的隔离器件

因为两边都是本安电路,所以它要达到绝对可靠,需要满足的条件较少:

a,保证隔离器件符合7.1规定的额定值;

但是如果有必要,同样需要添加保护电路。

b,隔离器的两端之间需要满足介电强度的要求

………………………………..完........................................................

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