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Eigensicheres Leiterplatten-I/O-Design: Ein Leitfaden für die Sicherheit in explosionsgefährdeten Bereichen

Was verhindert, dass ein normaler elektronischer Schaltkreis in einer Ölraffinerie, einer Chemieanlage oder einem alten Getreidesilo eine tödliche Explosion auslöst? Die Antwort liegt in einer speziellen Ingenieurwissenschaft, die als … bekannt ist. Eigensicheres (IS) Design. Durch die gezielte Steuerung von Spannung, Strom und Leistung entwickelten die Ingenieure Sensoren, Ausgabegeräte und Kommunikationsschnittstellen auf sichere Weise, ohne dabei Gefahren auszulösen.

In einer Umgebung mit brennbaren Gasen, Dämpfen oder Stäuben kann bereits ein kurzer Funke oder zu viel Hitze von normaler Elektronik katastrophale Folgen haben. Eigensicheres PCB-I/O-Design ist der sorgfältige Prozess der Entwicklung von Schaltkreisen, die in explosionsgefährdeten Bereichen sicher funktionieren, indem die elektrische und thermische Energie des Systems unterhalb der zur Zündung erforderlichen Schwelle gehalten wird.

Sie möchten wissen, was Sicherheit und Funktionalität in dieser feindlichen Umgebung ermöglicht? Dieses Handbuch behandelt die Grundlagen. eigensicheres Leiterplattendesign, einschließlich der wichtigsten Prinzipien, Schnittstellentypen, Konstruktionsfragen und wie man mit den Herausforderungen bei der Entwicklung sicherer, zuverlässiger und konformer Elektronik für explosionsgefährdete Bereiche umgeht.

Was ist ein eigensicheres PCB-I/O-Design?

Eigensicheres PCB-I/O-Design ist die Methode zur Herstellung von Schaltkreisen, die in explosionsgefährdeten Bereichen funktionieren können. Sie begrenzt sowohl thermische als auch elektrische Energie, um die Entzündung von brennbaren Gasen und Staub zu verhindern. Komponenten. Diese Schaltungen verarbeiten Sensorsignale, Aktorsignale und Kommunikationssignale wie RS-485-Signale oder 4-20-mA-Schleifen. Sie werden hauptsächlich in der chemischen Industrie sowie in Öl- und Gasanlagen eingesetzt, um die Einhaltung von Vorschriften zu gewährleisten. ATEX- oder IECEx-Standards. Das Hauptanliegen dieses Typ der Leiterplatte Der Fokus liegt auf Sicherheit, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Das folgende Video erklärt die Eigensicherheitssysteme elektrischer Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen. Es veranschaulicht die grundlegenden Konzepte und die drei wichtigsten Systemelemente. Sehen Sie, wie diese zusammenwirken, um Brände und Explosionen zu verhindern.

Branchenübergreifende Anwendung

PCB-I/O-Schnittstellen müssen in Branchen eingesetzt werden, die mit brennbaren Materialien arbeiten. Zum Beispiel:;

  • Eigensichere PCB-I/O-Designs werden in Bohranlagen, Raffinerien und Pipelines in Öl- und Gasverarbeitungsanlagen eingesetzt, um eine sichere Überwachung und Steuerung zu gewährleisten.
  • Sie bieten Schutzmaßnahmen für die flüchtigen Chemikalien, die in der Nähe der in Betrieb befindlichen Sensoren und Aktoren in Chemieanlagen verwendet werden.
  • Im Bergbau unterdrücken sie die Entzündung von Methan oder Kohlenstaub bei Untertagearbeiten.
  • Sie kontrollieren den Umgang mit brennbaren Lösungsmitteln und Stäuben in einigen Pharmaunternehmen.
  • Sie minimieren die Gefahren durch entzündlichen Staub und schützen die Arbeiter und die Anlagen in Getreideverarbeitungsbetrieben.

Wichtige Überlegungen zum Leiterplattendesign für eigensichere Schaltungen

Die Eigensicherheit sollte sorgfältig unter Berücksichtigung des komponentenorientierten Energiemanagements ausgelegt werden. Dabei sind einige der folgenden Grundlagen zu beachten.

Energiebegrenzung

Das Grundprinzip besteht darin, Spannung, Stromstärke und Leistung innerhalb sicherer Grenzen zu halten. Komponenten wie beispielsweise Zenerdioden, Widerstände und Strombegrenzer werden von Entwicklern zur Energieregulierung eingesetzt. Die Schaltung sollte automatisiert sein, um die Freisetzung überschüssiger Energie und damit verbundene Funkenbildung oder Zündung auch im Fehlerfall zu verhindern.

Komponentenzuverlässigkeit

Die Auswahl der Bauteile sollte hinsichtlich ihrer Langlebigkeit und Zuverlässigkeit erfolgen. Bauteile wie Sicherungen, Widerstände und Zenerdioden werden eingesetzt, da sie Belastungen effizienter bewältigen können. Bauteile mit einer geringeren Nennleistung werden verwendet, um die Sicherheit und Lebensdauer des Bauteils zu erhöhen. Reduzierung.

Kriech- und Freiraum

Um Lichtbögen und Oberflächenbeschädigungen zu vermeiden, muss ein ausreichender Abstand zwischen den Leiterbahnen eingehalten werden. Der Luftspalt zwischen diesen Leiterbahnen wird als Luftspalt bezeichnet. Freigabe; Andererseits beträgt der Abstand zwischen der Luft und der Leiterplatte Kriechbewegung. Diese Mindestabstände werden durch Normen wie beispielsweise IEC 60079-11 und sind tendenziell größer als die von normalen Leiterplatten-basierten Designs.

Schutz & Beschichtungen

Die Schutzbeschichtungen der Schaltung werden üblicherweise von folgenden Personen aufgebracht: konforme Beschichtung und Vergussmassen.Die Leiterplattenkomponenten bleiben auch nach langer Zeit unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit, Chemikalien und Staub. Sie eignen sich außerdem zur Abdichtung von Sicherheitselementen und zur Verringerung der Kriechstromgefahr.

Erdung und Isolation

Ein effektives Erdungssystem gewährleistet die Sicherheit und Leistungsfähigkeit des jeweiligen Stromkreises. Optokoppler oder Trenntransformatoren sind Methoden, um dies zu erreichen. galvanische Trennung, Diese Mechanismen begrenzen den riskanten Energieübergang zwischen normalen und gefährlichen Stromkreisen. Dies wirkt sich auf die Zuverlässigkeit der Maschine aus und minimiert Störungen im System.

Schnittstellentypen im eigensicheren I/O-Design

Die Eigensichere E/A-Schnittstelle Die Typen werden nach der Art des Signals/der Daten kategorisiert, die zwischen der Leiterplatte und externen Geräten übertragen werden.

  • Digitale Ein-/Ausgänge

Sie werden in einfachen Ein-/Ausschaltern oder zur Aktorsteuerung eingesetzt. Die Schaltung nutzt Serienwiderstände zur Strombegrenzung und Optokoppler zur galvanischen Trennung. Induktive Lasten, wie z. B. Relaisfunken, sind gefährlich und müssen durch Entstörschaltungen geschützt werden.

  • Analoge Ein-/Ausgänge

Viele 4-20mA Stromschleifen Die 0-10-V-Signale von Wandlern und Sendern werden analog verarbeitet. Präzise Widerstände sind wichtig für die Strombegrenzung, und Instrumentenverstärker sollten so ausgewählt und eingestellt werden, dass sie innerhalb sicherer Leistungsgrenzen arbeiten.

  • Kommunikations-E/A

Schnittstellen, wie zum Beispiel RS-485, PROFIBUS PA oder HART, Die Konstruktion muss sorgfältig erfolgen, um die Signalintegrität zu gewährleisten und die Energiebeschränkungen einzuhalten. Dies umfasst die Verwendung separater Transceiver-ICs, die Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit der Signale zur Minimierung der Hochfrequenzenergie sowie die Bereitstellung starker Stoß- und ESD-Schutz auf der sicheren Seite der Absperrung.

Der Zertifizierungs- und Testprozess

Für verschiedene Sicherheitszwecke sollten ordnungsgemäße Zertifizierungen, Überprüfungen und Tests durchgeführt werden.

  • Konformitätsbewertung

Eine benannte Stelle (ATEX) oder eine Ex CB (Ex-Zertifizierungsstelle) (IECEx) prüft und bestätigt die Einhaltung der geltenden Normen bei der Konstruktion.

  • Prüfung der Funkenzündung

Die Schaltkreise werden unter Systemfehlern und unregelmäßigen Bedingungen getestet, um sicherzustellen, dass sie im Betrieb keinen entzündlichen Funken erzeugen.

  • Temperaturprüfung

Um sicherzustellen, dass die Innen- und Außentemperaturen der Oberflächen niedriger sind als die Selbstentzündungstemperatur der jeweiligen Gasgruppe (z. B. T6 ≤ 85 °C), werden unter bestimmten fehlerhaften Bedingungen imaginäre und wahrscheinlich Worst-Case-Szenarien durchgeführt.

Um sicherzustellen, dass die Konstruktion während des gesamten Betriebs sicher und zuverlässig ist, werden Vibrations-, Feuchtigkeits- und Funktionstests durchgeführt.

Herausforderungen beim IS-PCB-I/O-Design

Die Entwicklung eigensicherer Leiterplatten-I/Os stellt eine anspruchsvolle Aufgabe dar. Die Entwickler müssen neben der Sicherheit auch die Funktionsfähigkeit der Schaltungen, die Kostenanalyse und die Zuverlässigkeit gewährleisten. Einige Beispiele folgen.

  • Hohe Signalgenauigkeit und -geschwindigkeit sind mit begrenzter Energie schwer zu erreichen.
  • Bessere Komponenten und Zertifizierungen erhöhen automatisch die Kosten.
  • Es ist recht schwierig, energiebegrenzende Bauteile in kleine Konstruktionen einzubauen, ohne Kompromisse bei der Sicherheit einzugehen.
  • Simulierte Gefahrentests sind ressourcenintensiv und kompliziert.
  • Der ständige Wandel von ATEX- und IECEx-Standards erfordert nachfolgende aktualisierte Designänderungen.

Bewährte Verfahren für ein erfolgreiches IS-PCB-Design

Die genannten Punkte gewährleisten die Einhaltung der Vorschriften, verbessern die Sicherheit und rationalisieren die Zertifizierung, wodurch die Risiken während der Entwicklung reduziert werden.

  • Dokumentation und Rückverfolgbarkeit

Die Genauigkeit der Daten zur Einhaltung der Sicherheits- und Leistungsanforderungen muss gewährleistet sein. Solche Aufzeichnungen vereinfachen die Überprüfung der Einhaltung und nachfolgende Audits erheblich.

  • Zusammenarbeit mit Zertifizierungsstellen

Um spätere, zusätzliche Kosten für Nachbesserungen zu vermeiden, ist es ratsam, von Anfang an mit den zuständigen Sicherheitsbehörden zusammenzuarbeiten. Deren Erfahrung und Expertise in diesem Bereich gewährleisten, dass die Konstruktion den erforderlichen ATEX-, IECEx- oder anderen Normen entspricht.

  • Regelmäßige Prüfungen und Überprüfungen

Konstruktionen müssen regelmäßig und gründlich auf Sicherheits- und Leistungsprobleme überprüft werden, bevor diese schwerwiegend werden. Periodische Inspektionen und eine verbesserte Version der Konstruktion gewährleisten die Einhaltung der geltenden Normen.

Werkzeuge für die eigensichere Leiterplattenentwicklung

Für die Entwicklung eigensicherer Leiterplatten sind geeignete Werkzeuge erforderlich. Ingenieure nutzen zudem Software und Testgeräte, um Sicherheitsprüfungen durchzuführen und die Genauigkeit während der Entwicklungsvorbereitung zu erhöhen.

  • CAD/EDA-Software

Designsoftware Programme wie Altium Designer, Cadence oder KiCad unterstützen Entwickler bei der Einhaltung der Eigensicherheitsprinzipien. Kriechstrecken, Luftstrecken und zertifizierte Bauteilbibliotheken sind für eine umfassende Überprüfung enthalten.

  • Simulationstools

Simulatoren wie LTspice können energiebegrenzte Schaltungen erfolgreich modellieren. Die Vorhersage und Kontrolle von Wärmeverlusten in Gefahrenbereichen wird zudem durch den Einsatz von Geräten zur thermischen Analyse unterstützt.

  • Compliance-Prüfer

Die Konstruktion kann mithilfe von EDA-Steckern automatisch auf die Einhaltung der Abstands- und Leistungsanforderungen von ATEX oder IECEx geprüft werden. Dies minimiert Fehler und Zeitverluste bei der Zertifizierung.

  • Prüfgeräte

Spezielle Prüfgeräte überprüfen die Risiken von Leistungsschaltern hinsichtlich Funkenzündung und ihrer Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen. Diese Prüfgeräte gewährleisten die tatsächliche Zuverlässigkeit im realen Einsatz und geben dem Hersteller Sicherheit vor der Zertifizierung.

Arbeiten Sie mit Experten für eigensichere Leiterplatten zusammen

Eigensichere Leiterplatten-I/O-Designs sind erforderlich, um die Sicherheit von Personen und Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen zu gewährleisten. Um zuverlässige Schaltungen innerhalb strenger Sicherheitsgrenzen zu realisieren, streben Ingenieure ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung, Kosten und Konformität an, um die internationalen Normen zu erfüllen. Sicherheit lässt sich in jeden Prozessschritt integrieren, indem Benutzerschnittstellen sorgfältig gestaltet, getestet und bewährte Verfahren angewendet werden. Mit der richtigen Strategie bieten Leiterplatten-I/O-Designs Schutz und zuverlässige Leistung.

Unter FS PCBA, Wir sind spezialisiert auf die Entwicklung und Fertigung kundenspezifischer, zuverlässiger und vollständig normkonformer eigensicherer Leiterplattenlösungen. Dank unserer Expertise erfüllen Ihre Produkte höchste Sicherheitsstandards ohne Leistungseinbußen.

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Häufig gestellte Fragen zum eigensicheren Leiterplatten-I/O-Design

Eigensicherheit ist das Konzept, elektrische Geräte so zu konstruieren, dass sie keine zusätzliche Energie – in Form von Funken oder Hitze – abgeben, die explosionsgefährdete Bereiche entzünden könnte. Dies wird durch die Begrenzung von Spannung, Strom und Leistung auf Werte unterhalb der Zündschwelle erreicht. In der Öl-, Gas-, Bergbau- und Chemieindustrie ist dieses Verfahren weit verbreitet, um die Betriebssicherheit zu gewährleisten.

Fehler von Flex I/O-Modulen sind nicht zwangsläufig eigensicher. Dennoch können sie in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden, indem sie mit eigensicheren Barrieren oder Trennschaltern kombiniert werden. Dieses Zubehör dient dazu, die über Flex I/O übertragenen Signale innerhalb sicherer Energiegrenzen zu halten. Vor dem Einsatz von Flex I/O in explosionsgefährdeten Bereichen sind die Zertifizierungs- und Installationsanweisungen stets zu beachten.

Es kann überall dort eingesetzt werden, wo brennbare Gase, Dämpfe oder Stäube auftreten können. Es findet auch Anwendung in Bereichen und Branchen mit hohem Wartungs- und Kalibrierungsaufwand. IS-Geräte ermöglichen einen sichereren, einfacheren und in vielen Fällen kostengünstigeren Betrieb als explosionsgeschützte Geräte.

Eine Zenerbarriere ist ein elektrisches Schutzgerät, das Strom und Spannung in einem Gefahrenbereich begrenzt. Sie verwendet Zenerdioden, Widerstände und Sicherungen, um unerwünschte Energie zu begrenzen. Diese Barriere verhindert automatisch, dass die Energie in Gefahrensituationen die zulässigen Grenzwerte überschreitet.

Eigensichere (IS) Geräte minimieren das Explosionsrisiko durch die Begrenzung überschüssiger elektrischer Energie. Sie werden bei Elektronikgeräten mit geringer Leistung, Messgeräten und Sensoren eingesetzt. Explosionsgeschützte (Ex d) Gehäuse hingegen schließen die Zünd- oder Funkenzone ein und reduzieren so die Auswirkungen auf die Umgebung. Sie finden Anwendung bei großen Schaltern wie Motoren, Pumpen und Hochleistungsgeräten.

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