Mạch an toàn tia lửa là an toàn về bản chất, tức cỏc nguồn năng lượng bờn trong mạch được hạn chế ở mức thấp khụng đủ để làm bốc chỏy hỗn hợp khớ chỏy nổ xung quanh nú. Mạch an toàn tia lửa về bản chất khụng khỏc gỡ cỏc mạch điện thụng thường khỏc, tuy nhiờn từng bộ phận của mạch và của toàn mạch cần được phõn tớch chi tiết về cỏc thụng số cảm khỏng, dung khỏng, trở khỏng, điện ỏp, dũng điện và cỏch bố trớ. Nếu cỏc thụng số này khụng đảm bảo về mặt an toàn theo tiờu chuẩn thỡ cần phải được bổ sung linh kiện, giảm trị số linh kiện, bố trớ lại, và thậm trớ phải thiết kế lại hoàn toàn, mục đớch là để hạn chế mức năng lượng cú thể phỏt sinh từ mạch tới mức khụng cú khả năng gõy chỏy nổ. Cỏc thụng số tớnh toỏn đều phải nhõn với hệ số an toàn 1,5 theo tiờu chuẩn an toàn tia lửa ExiaI (TCVN7079- 11 hoặc IEC79-11) đó quy định.
Nhỡn vào mạch của thiết bị đo ta thấy cú rất nhiều cỏc linh kiện với cỏc trị số khỏc nhau, và khú cú thể tớnh được điện dung, điện cảm, điện trở tương đương của mạch. Tuy nhiờn, khi việc tớnh chớnh xỏc là quỏ khú khăn thỡ ta cú thể thụng qua việc ước lượng cỏc trị số điện cảm, điện dung tối đa cú thể của mạch, điện trở chỉ cần quan tõm đến cỏc điểm kết nối nguồn, kết nối ra bờn ngoài hoặc cỏc vị trớ điện trở nối tiếp với điện cảm và điện dung cú trị số lớn, nghĩa là phải xem xột mạch ở tỡnh huống xảy ra sự cố cao nhất. Cỏc IC trong mạch cú thể coi như khụng cú (phụ thuộc và từng loại linh kiện). Hỡnh 3.24 thể hiện sơ đồ tương đương mạch ở khớa cạnh an toàn tia lửa. Cỏc thành phần chớnh mạch bao gồm: Cấp nguồn an toàn tia lửa từ bờn ngoài 33VDC; ắc quy bờn trong 7,2V (6x1,2V); cỏc IC tớch hợp, đường mạch in cú điện và điện cảm khụng đỏng kể; tổng điện dung trong mạch khoảng 266,6uF, chủ yếu là từ cỏc tụ điện lọc; điện cảm trong mạch khoảng 100uH, chủ yếu là từ cuộn dõy lọc nguồn rung và cũi ỏp điện.
Để cho dễ phõn tớch mạch an toàn tia lửa, ta đi vào xột từng trường hợp ảnh hưởng tới cỏc đầu vào ra của thiết bị, như: đường cấp nguồn, đường tớn hiệu truyền thụng, đường tớn hiệu 4-20mA, đường gửi ra bỏo động và mỏy cắt và từng bộ phận mạch cục bộ. Khi xột cỏc cổng này thỡ phải xột tất cả cỏc ảnh hưởng trong mạch lờn cổng đú. Đõy cũng là cỏc cổng cần phải đưa ra cỏc thụng số an toàn tia lửa đối với tất cả cỏc thiết bị đo khớ, cỏc thụng số đú là: Ii, Ui, Pi, Ci, Li, Co, Lo. Cỏc cổng kết
nối và cỏc điểm trong nội bộ mạch khống chế điện ỏp hở mạch bằng đi-ốt zener cần phải sử dụng 3 đi-ốt zener mắc song song nhau theo tiờu chuẩn Exia. Cỏc dũng điện trong mạch được khống chế bằng cỏc điện trở và cầu chỡ cắt nhanh mắc nối tiếp cũng được tớnh toỏn và chọn trị số phự hợp theo tiờu chuẩn.
Hỡnh 3.24. Sơđồ mạch tương đương an toàn tia lửa của thiết bị Mạch cấp nguồn cảm biến:
Nguồn cảm biến là một IC ổn ỏp 3,3V LM1117 cấp nguồn cho mạch cầu của cảm biến mờ-tan. Điện ỏp đầu vào tối đa của nguồn là 12V, qua một điện trở và cầu trỡ 250mA trước khi vào ổn ỏp LM1117. Khi cú tớn hiệu gọi đo từ vi xử lý thỡ tớn hiệu điện ỏp 12VDC đưa vào mạch qua cầu chỡ cú Iđm=0,25A, Icắt=1,7*Iđm=1,7*0,25=0,425A. Mạch này cú điện cảm khụng đỏng kể.
Mạch đầu ra được mắc song song 3 điụt zener 3,3V; với sự cố chập mạch, dũng tối đa là 0,425A, cụng suất cho phộp của đi-ốt zener: 1,5 x 1,425A x 3,3V = 2,1W, chọn cụng suất đi-ốt zener là 3W.
Với điện ỏp 3,3V điện dung cho phộp nguồn cảm biến là rất lớn, trờn 10000uF (tra theo đường đặc tớnh U=f(C) điện ỏp đỏnh lửa tối thiểu tương ứng với điện dung của TCVN7079), điện dung này lớn hơn tổng điện dung trong mạch nhiều lần nờn mạch này an toàn về điện dung.
Mạch cấp nguồn cho mạch chớnh:
Mạch cấp nguồn cho mạch chớnh sử dụng IC nguồn rung LM2575 để tạo ra điện ỏp 5V cấp nguồn cho mạch vi điều khiển và mạch chuẩn hoỏ tớn hiệu đo.
Nguồn vào từ ắc-quy và từ nguồn ngoài cấp vào LM2575 qua một cầu chỡ cắt nhanh 250mA. Bộ nguồn này cần sử dụng một cuộn cảm 100uH và một tụ điện 220uF để lọc nguồn đầu ra 5V ổn định.
Điện ỏp 12VDC đưa vào mạch qua cầu chỡ cú Iđm=0,25A, dũng cắt của cầu chỡ Icắt=1,7*Iđm=1,7*0,25=0,425A. Cuộn dõy L=100uH, tra theo đường đặc tớnh loại I (cho vựng khai thỏc mỏ hầm lũ) trong bảng đường cong ISC quan hệ giữa I, U và điện cảm (L=f(I)) với điện ỏp 12V của TCVN7079 thỡ dũng điện I cho phộp = 1A > Icắt = 0,425A, mạch an toàn về điện cảm.
Mạch đầu ra được mắc song song 3 điụt zener 5.6V; với sự cố chập mạch, dũng tối đa là 0,425A, cụng suất cho phộp của đi-ốt zener: 1,5 x 0,425A x 5,6V = 3,57W, chọn cụng suất đi-ốt là 5W.
Với điện ỏp 5,6V điện dung cho phộp nguồn cảm biến là rất lớn, trờn 10000uF (tra theo đường đặc tớnh U=f(C) điện ỏp đỏnh lửa tối thiểu tương ứng với điện dung của TCVN7079), điện dung này lớn hơn tổng điện dung trong mạch nhiều lần (điện dung trong mạch 266uF).
Toàn bộ mạch ổn ỏp 5,6V cấp cho sensor được đổ keo ờ-pụ-xy thành khuụn hỡnh chữ nhật để loại trừ sự cố chạm chập bờn trong nguồn gõy mất an toàn.
Mạch Ắc-quy:
Ắc-quy được ghộp từ 6 pin sạc loại Niken và được chứa trong hộp phớp kớn đổ đầy bằng chất ấ-pụ-xy; ắc quy nối tiếp với 3 điện trở 5Ω/2W ghộp song song và nối tiếp với một cầu chỡ cắt nhanh 500mA; dung lượng ắc-quy 600mAh. Trong trường hợp xấu nhất ngắn mạch đầu ra hộp ắc-quy thỡ dũng điện tối đa với hệ số dũng cắt nhanh của cầu chỡ theo tiờu chuẩn là 1,7x500mA = 850mA. Với điện ỏp tối đa ắc-quy 12V tra đường đặc tớnh U=f(I) theo tiờu chuẩn TCVN7079 thỡ dũng điện tối đa cho phộp là 5A, như vậy hộp ắc quy là an toàn tia lửa. Hộp ắc-quy được đổ đầy để loại trừ sự cố chạm chập bờn trong gõy ra tia lửa mất an toàn.
Tớnh cụng suất của điện trở: 1,5x(1,7x0,5A)2 x (5/3)Ω = 1,8W; trong mạch chọn 3 điện trở mắc song song nhau, mỗi điện trở 2W, tổng cụng suất điện trở là 6W – đủ lớn so với 1,8W, như vậy điện trở cú giỏ trị cụng suất đảm bảo an toàn.
Với điện ỏp 12V thỡ điện dung cho phộp trờn nguồn này là 3000uF tra theo đường đặc tớnh đỏnh lửa tối thiểu U=f(C) của TCVN7079. Điện dung thực tế trờn nguồn 12V là 5,7uF nhỏ hơn nhiều so với điện dung cho phộp.
Mạch cấp nguồn vào:
Mạch cú hai nguồn cấp, một nguồn từ bờn ngoài qua giắc J1 và điện trở 82Ω/5W và một ắc quy bờn trong cấp nguồn cho mạch khi khụng cú nguồn ngoài. Bỡnh thường ắc-quy được sạc từ nguồn ngoài, khi mất điện nú sẽ cấp nguồn cho mạch. Đường cấp nguồn từ ngoài vào sau khi qua cầu chỡ cắt nhanh 250mA được rẽ ra 3 hướng: một hướng chớnh đi vào cấp nguồn sạc cho ắc quy và cấp nguồn cho mạch thụng qua điện trở 82Ω/5W và 3 đi-ốt; một hướng đi vào cấp nguồn cho mạch chuyển đổi tớn hiệu 4-20mA qua điện trở 15Ω/2W và 3 đi-ốt mắc nối tiếp, một hướng đi vào mạch bỏo kết nối nối với nguồn ngoài qua 1 đi-ốt và điện trở 100kΩ (mạch này tiờu dũng rất nhỏ, khụng đỏng kể).
Hai nhỏnh nguồn cấp vào mạch chớnh và cấp vào mạch chuyển đổi tớn hiệu được nối tiếp với 3 đi-ốt mắc nối tiếp, do đú cỏc thụng số điện cảm và điện khỏng của hai mạch khụng ảnh hưởng sang nhau, khi xột an toàn về điện khỏng cũng như điện cảm của mạch thỡ chỉ cần xột trong nội bộ mạch. Giữa hai mạch này cũng cú một đường tớn hiệu nối từ DAC của PSoC đến mạch chuyển đổi 4-20mA, nhưng thụng qua điện trở 5,6k nờn ảnh hưởng điện dung và điện cảm giữa hai mạch qua đường tớn hiệu này là khụng đỏng kể.
- Nhỏnh cấp nguồn chớnh:
Điện ỏp tối đa trờn mạch này là 33V nối tiếp với điện trở 82Ω và 3 đi-ốt mắc nối tiếp, do đú trở khỏng ra là vụ cựng lớn, trị số điện dung và điện cảm tại cầu đấu của đường cấp nguồn ngoài vào coi như khụng cú (Li ≈ 0, Ci ≈ 0).
Sau ắc-quy mạch được bố trớ 3 đi-ốt zener 12V để khống chế điện ỏp tối đa cấp vào mạch. Thụng thường mạch cỏch ly an toàn tia lửa trờn bộ nguồn phũng nổ khống chế dũng điện trờn đường truyền. Để tớnh cụng suất cho phộp của đi-ốt zener 12V và của điện trở đầu vào ta cú dũng điện tối đa cú thể trờn mạch này được tớnh như sau:
Điện ỏp rơi trờn điện trở 82Ω mắc nối tiếp là
Dũng điện chạy qua đi-ốt zener là:
Isc = 20,1/82 = 0,245A = 245mA Từ đú ta cú cụng suất đi-ốt zener 12V là:
1,5 x 0,245 x 12 = 4,41W Ta chọn 3 đi-ốt zener 12V cú cụng suất 5W > 4,41W. Cụng suất điện trở 82Ω cho phộp:
1,5x(0,245)2x82 = 7,38W Chọn cụng suất điện trở là 10W>7,38W.
- Nhỏnh cấp nguồn cho mạch chuyển đổi 4-20mA:
Nhỏnh này cũng nối tiếp qua điện trở 15Ω và 3 đi-ốt mắc nối tiếp nhau. Tương tự như trờn mạch này cú Li ≈ 0, Ci ≈ 0. Điện dung tối đa cho phộp với điện ỏp của mạch 33V – (điện ỏp rơi trờn đi-ốt) = 33V-0,9V = 32,1V là 6,3uF. Điện dung trong mạch này là 2,5uF < điện dung cho phộp tối đa, mạch an toàn về điện dung. Mạch này khụng cú điện cảm.
- Thụng số an toàn của đường cấp nguồn của thiết bị như sau: Li = 0; Ci = 0; Um = 33V (điện ỏp đấu nối lớn nhất).
Đường tớn hiệu 4-20mA:
Nguồn cấp cho mạch này lấy từ nguồn ngoài 33V (tối đa). IC AM422 luụn lỏi dũng trong khoảng 4-20mA tuỳ thuộc vào nồng độ khớ. Thực tế kết nối, thỡ tải của tớn hiệu này chỉ cú điện trở đường dõy, điện trở trớch tớn hiệu (100Ω). Nếu sự cố chập mạch xảy ra, thỡ dũng ngắn mạch là:
Inm = (33- (điện ỏp rơi trờn 3 đi-ốt Schotky) – (điện ỏp rơi trờn đi-ốt thường))/45 = 31,4/45 = 0,698A > Icắt cầu chỡ.
Do đú dũng tối đa tớnh
Inm = Icắt cầu chỡ = 0,425A. Cụng suất điện trở 15Ω, 25Ω, 5Ω lần lượt là
1,5x(0,425)2x15 = 4,06W 1,5x(0,425)2x25 = 6,7W 1,5x(0,425)2x5 = 1,35W
Điện dung cho phộp tối đa theo tiờu chuẩn là 6uF (với điện ỏp 33V), điện dung trong tương đương mạch là 0,2uF (điện dung tổng là 2,5uF và nối tiếp qua tổng trở 30 Ω, tra theo đường đặc tớnh U=f(C) của TCVN7079), như vậy mạch an toàn về điện dung. Điện cảm của mạch coi như bằng 0.
Đường tớn hiệu truyền thụng:
Tớn hiệu truyền thụng theo chuẩn RS485/422 được truyền qua mạch an toàn tia lửa trước khi kết nối với bờn ngoài.
- Cầu chỡ được sử dụng là loại cầu chỡ Iđm=100mA, cú tỏc dụng đúng cắt nhanh: Imax = Icắt = 1,7*Iđm = 170mA.
- Tớnh cụng suất hai điện trở 33Ω ngoài cựng sau zener. Điện ỏp Ura = 6,3V (5,6V+0,7V), dũng điện cực đại cho phộp là trờn 5A (tra theo đường đặc tớnh ISC mối liờn hệ giữa U và I của TCVN7079). Với điện trở đầu ra 66 Ω thỡ dũng tối đa đầu ra 1,5 x (6,3/66) = 0,144A << 5A, cụng suất điện trở tối thiểu trờn mỗi điện trở 33 Ω là 0,6W. Chọn cụng suất điện trở là 2W.
- Tớnh cụng suất hai điện trở 33 Ω trước điốt zener. Điện ỏp rơi ∆U = 13- 6,3=6,7V. Với điện trở tổng nối tiếp là 66 Ω thỡ dũng tối đa là 1,5 x (6,7/66) = 0,152A, cụng suất điện trở tối thiểu trờn mỗi điện trở 33 Ω là 0,76W. Chọn cụng suất điện trở là 2W.
- Tớnh cụng suất của điốt zener:
Dũng làm việc tối đa của điốt zener là (13-5,8)/33 = 218mA, do đú cụng suất của nú là 1,5x0,218x5,6 = 1,83W. Chọn cụng suất của đi-ốt zener là 2W.
- Điện ỏp hở mạch đầu ra được khống chế bởi 3 cặp đi-ốt zener đấu song song:
Uh = 5,6+0,7 = 6,3V, tra đường đặc tớnh U=f(c) với hệ số an toàn 1,5 và điện trở nối tiếp 66 Ω thỡ xỏc định được điện dung cho phộp đầu ra là trờn 10000uF. Trong khi đú tổng điện dung trong mạch là 266uF, và điện dung tương đương ở đầu ra với điện trở mắc nối tiếp 66 Ω là 4uF. Như vậy điện dung cho phộp đấu vào đầu vào của đường tớn hiệu này là trờn 10 000uF.
Ci = 4uF (tổng điện dung tương đương của mạch tại đầu ra) Co = 10 000uF (tổng điện dung cho phộp đấu vào)
- Với dũng điện max tại cửa ra là 170mA, thỡ điện cảm cho phộp tại cửa ra này theo đường cong L=f(I) với hệ số 1,5 là 8mH. Tổng điện cảm trong mạch rất nhỏ, Lin ≈ 0.
Thụng số mạch sau khi tớnh toỏn:
Điện ỏp đầu ra lớn nhất: Uo = 6,3V/DC Dũng điện đầu ra lớn nhất: Io = 170mA/DC Điện cảm tương đương tại đầu ra: Li = 0
Điện dung tương đương tại đầu ra: Ci = 4uF Điện cảm tối đa cho phộp cú thể kết nối với đầu ra: Lo = 8mH Điện dung tối đa cho phộp cú thể kết nối với đầu ra: Co = 10000uF Khoảng cỏch gần nhất giữa 2 đường mạch in : Lmin = 6mm
Tớn hiệu gửi bỏo động và cắt điện:
Hai đường tớn hiệu này thực chất là 1, một đường gửi về trung tõm hoặc về bộ cấp nguồn để cảnh bỏo, một đường gửi trực tiếp tới bộ liờn động cắt điện để cắt điện khu vực cục bộ mà thiết bị được lắp đặt. Hai tớn hiệu này đều sử dụng Opto- coupler, nú tạo ra sự cỏch ly hoàn toàn về điện, ngăn chặn được điện ỏp cao xõm nhập vào mạch qua đường tớn hiệu này.
Tớn hiệu cắt điện từ mạch vi điều khiển chỉ mở thụng cho opto-coupler, bộ liờn động cắt điện cần phải cấp một nguồn tớn hiệu qua opto-coupler để kiểm tra tớn hiệu on hay off. Nguồn tớn hiệu từ bộ liờn động cắt điện yờu cầu phải là nguồn an toàn tia lửa xoay chiều, điện ỏp tối đa cú thể lờn đến 36V.
Trong mạch in, khoảng cỏch đường mạch giữa hai phớa cỏch ly của opto- coupler yờu cầu tối thiểu là 6mm.
Mạch nguồn:
Độ mỏng tối thiểu của tấm phớp chứa mạch in: 1,5mm Độ mỏng tối thiểu của đường mạch đồng: 35um Độ rộng tối thiểu của đường mạch nguồn: 1mm
Theo mục 6.2.1 trong tiờu chuẩn TCVN7079-11:2002 quy định về mối liờn hệ giữa dũng điện tối đa cho phộp đi qua và độ rộng của đường mạch in bằng đồng ỏp dụng cho mạch in đi dõy trờn cả 2 mặt thỡ dũng điện tối đa cho phộp trờn đường mạch cú độ rộng 1,0mm trờn cả 2 mặt của mạch in theo tiờu chuẩn là
7,5A/1,5=5A>Imax=0,85A (dũng điện tối đa cấp từ ắc-quy = 1,7xIcầu chỡ = 1,7x0,5A=0,85A).
Mạch cũi bỏo động:
Bờn trong cũi bỏo động cú thành phần cảm khỏng, do đú cú thể gõy ra điện ỏp phản khỏng với mức năng lượng gõy nguy hiểm. Để khống chế năng lượng cú thể phỏt sinh nguy hiểm sử dụng 3 đi-ốt mắc song song với cũi.
Mạch in:
Độ mỏng tối thiểu của tấm phớp chứa mạch in: 1,5mm Độ mỏng tối thiểu của đường mạch đồng: 35um Độ rộng tối thiểu của đường mạch tớn hiệu: 0.3mm
Theo mục 6.2.1 trong tiờu chuẩn TCVN7079-11:2002 quy định về mối liờn hệ giữa dũng điện tối đa cho phộp đi qua và độ rộng của đường mạch in bằng đồng ỏp dụng cho mạch in đi dõy trờn cả 2 mặt thỡ:
- Dũng điện tối đa cho phộp trờn đường mạch cú độ rộng 0,2 mm trờn cả 2 mặt của mạch in là 1,8A/1,5=1,2A > Imax=0,85A.
Như vậy theo tiờu chuẩn TCVN 7079-11:2002 thỡ khoảng cỏch, độ rộng và bề dày của lớp đồng mạch in, bảng mạch in đều trong tiờu chuẩn cho phộp.
- Cầu đấu được lựa chọn sử dụng là loại cầu đấu cú khoảng cỏch giữa 2 mắt đấu > 6mm. Tại cầu đấu tớn hiệu vào và ra của mạch, đường mạch in được thiết kế cú độ rộng lớn hơn và tối đa là 2mm.