齐纳式安全栅的应用

齐纳式安全栅

P+F公司的齐纳式安全栅

P＋F公司95年推出的新型Z系列齐纳栅专为配合DCS系统而设计。依照最新齐纳栅应用理念设计，精益求精地选配元器件，采用一丝不苟的精湛工艺制作，使其优秀品质得以充分体现：• 理想化的齐纳特性

• 无源纯阻性电路

• 适应DCS对智能变送器回路供电

• 一台齐纳栅负责一个检测点或一个控制点• 避免除安全需要以外的安全栅的损耗

• 对工程友好的结构设计

理想化的齐纳特性

齐纳栅的基本电路如图1所示。

注：为简化图示，将三重冗余的齐纳管只标出一个。

理想的齐纳栅特性是当回路电压V低于齐纳栅安全限压V0时，齐纳管截止，漏电流I leak 为零；而当回路电压等于安全限压值时，齐纳管突然导通，漏电流跳升至足够大，使回路电压永不超过安全限压值。当然，理想的齐纳特性并不存在。当回路电压接近安全限压值时，齐纳管总是逐渐导通的。实践中，人们将齐纳管漏电流I leak达到10µA时的回路电压V10µA认作齐纳管导通的开启电压。此V10µA越靠近安全限压值，则齐纳特性越理想。

P＋F公司追求齐纳特性的理想化可谓精益求精。例如用于标称24V回路的Z系列安全栅，其安全限压值为28V，而V10µA做到26.5V。齐纳特性的理想化，一方面因回路漏电流减小而使检测精度提高；另一方面也大大增加了安全栅对回路电压的宽容度，从而使P+F公司能够在不影响齐纳栅适用范围的情况下，淘汰原有的有源齐纳栅。

无源纯阻性电路

Z系列齐纳栅采用无源的纯电阻性电路，与有源齐纳栅相比，这种电路不仅元器件少，故障率低，成本低，而且有利于回路信号的保真和抗干扰。

Z系列齐纳栅中常用的电路有六种：齐纳栅电路一单线浮空（图2）

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图2

显然，这是最简单的齐纳栅电路。其特点是廉价。典型品种为Z728和Z715等。其中

Z728

适用于大多数DCS的4-20mA模拟量输出

回路。

Z系列齐纳栅仍保留负极性品种，即将上

图中齐纳管反向设置，如Z828等。但负极性齐

纳栅会使工程的配电和接地问题更趋复杂，除非

万不得已，一般不建议采用。所以，此样本不作

详述。

图1 齐纳栅电路二双线浮空、反向截止（图3）

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3

最典型的品种有Z787.H和Z787。其中

Z787.H被广泛应用于智能变送器回路。

齐纳栅电路三 4-20mA/1-5V转换（图4）

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齐纳式安全栅

典型品种为Z788.R 。其特点为能将变送

器4-20mA 信号转换为1-5V 信号给DCS 。 齐纳栅电路四 双极星形结构（图5）

此电路最适合±mV 信号回路。特点为有

较高的共模抑制比。典型品种为Z960。专门用于连接热电偶。

齐纳栅电路五 双极性 三线浮空（图6）

为号为

过去这种电路曾被用于热电阻回路，但缺

陷是配三线制热电阻时需要一个半安全栅，多有

不便。现在则主要用于称重测力传感器的应变电桥回路。典型品种有Z966（用于电桥配电）和Z964（用于电桥测量）。

8适应DCS 对智能变送器回路供电

5在齐纳栅与DCS 的配合时，人们常会遇

到因齐纳栅回路压降过大，而导致DCS 的回路供电不够驱动智能变送器的情况。为此，P+F 公司特别推出Z787.H 型齐纳栅。当用户使用霍尼韦尔、横河、艾默生、ABB 公司的DCS 和智能变送器时，只要选择Z787.H 便无后顾之忧。

76Z787.H 配合DCS 应用于智能变送器回

路如图8所示。

图5

首先，Z787.H 的齐纳管开启电压V 10µA

为26.5V 。使回路供电电压范围为24V-26.5V 。许多DCS 如Centum-CS3等，其标准回路供压可设定在25.5V 。此时选用Z787.H 显然是最理想的。

其次，Z787.H 合理设计其两个通路的端

端电阻，以适应现代智能变送器，如横河EJA 、艾默生3051、ABB600、霍尼韦尔ST3000等，对回路电阻的要求。

以3051为例。其对回路电阻的要求为： 250Ω ≤ R ≤ (V loop -10.5V) ÷ 0.023A 当DCS 供压为24V 时，回路电压 V loop ＝ 24V - 0.9V ＝ 23.1V 于是： 250Ω ≤ R ≤ 548Ω

而应用Z787.H 时，回路电阻 R = 250Ω + 25Ω + 250Ω = 525Ω 显然满足3051变送器的要求。

Z787.H 并非只适合有DCS 进行回路供

电。某些DCS 的AI 卡要求齐纳栅外供电（如DCS 的AI 卡内阻较大）时，Z787.H 也是理想的齐纳栅。

8576图7 图8

1-8端端电阻：250欧姆

4-5端端电阻：25欧姆

齐纳式安全栅

一台齐纳栅负责一个检测或控制点

P+F 公司建议用户采用单通道齐纳栅，

即一台齐纳栅负责一个检测点或一个控制点。同样，一个检测点（如三线制热电阻）也应避免设计两台齐纳栅。这样做的好处是当维护齐纳栅时，不会影响到其他回路的正常工作。

避免除安全需要以外的安全栅损耗

当回路电压高于齐纳栅的安全限压值时，

将因齐纳管导通而导致保险丝熔断。这是齐纳栅保证本质安全的正常功能。但除此以外的安全栅损耗则应尽量避免。

实践中，为了减少齐纳栅的意外损耗，用

户在现场一侧作业时，通常会切断相关回路的供电。这就使本安防爆允许现场带电作业的优点得不到利用。

为最大限度避免除安全需要以外的意外损

耗，P+F 公司对Z 系列齐纳栅的参数进行了周密的设计。对于模拟量输出、热偶和热阻输入、数字量输入、纯电流和电压输入、频率输入、选用Z787.H 的模拟量（变送器）输入等回路，在DCS 回路供电的条件下，只要系统一侧无故障，Z 系列齐纳栅就允许现场一侧带电作业。此时现场的短路和开路均不会损坏齐纳栅。

以变送器回路采用Z787.H 为例。设回路

电压为26.5V ，DCS 系统一侧无故障，而现场短路。如图9所示。

此时，回路电流为Isc 。

Isc = (26.5V-0.9V)÷(250Ω+25Ω+250Ω)=49mA

由于Z787.H 采用80mA 高速保险丝，容

量足够，此时不会熔断。

可更换保险丝的齐纳栅

实践中，齐纳栅的损坏绝大部分表现为保

险丝熔断。于是人们设计出装有可更换保险丝的齐纳栅，希望能减少用户的损失。

图10所示为可更换保险丝的齐纳栅

Z787.H.F 。与不可更换保险丝的Z787.H 比较可以看出，Z787.H.F 在Z787.H

的基础上增加了可更换的保险丝F3和F4。保险丝F1和F2的作用示保护齐纳管Z ，不允许更换。所以Z787.H.F 用可更换保险丝F3和F4来保护保险丝F1和F2。

对工程友好的结构设计

Z 系列齐纳栅的结构设计遵循对工程友好

的基本原则。其外形如图11所示。

Z 系列齐纳栅的厚度为12.5mm ，相当与两个标准 2.5mm 2接线端子的厚度。安全栅上设有2.5mm 2自开式接线端子。任何二线制回路的接线均不重叠，便于接线和查找。

Z 系列齐纳栅采用导轨安装方式（35mm 标准DIN 导轨）。在安装同时，齐纳栅的接地极与安装导轨卡接。接地线可以从导轨上引出。同时安全栅上还另设接地端子，以适应用户的不同接地规范。如图12所示。

图9 815472 6

3图10

图11