原创 故障导向安全原则在电路设计中的应用

在铁路信号中有一条及其重要的原则，就是故障导向安全原则。所谓故障导向安全，就是当设备出现故障时应使其进入一种不危及其它并且自身故障不再扩大的状态。对于铁路信号来说，就是停止运行的红灯状态。因为在故障下信号不能正确反映线路的实际情况，如果这时放行就有可能引起车列或列车的冲突。

上图是曾经在铁路信号中广泛应用的臂板信号机。信号机的重锤杆上有一个重锤，在自由状态下，利用重锤的重力使信号臂板成禁止通行的水平状态。放行时拉动拉线使重锤抬起，并带动信号臂板落下成45°的放行状态。放行完毕后，松开拉线，在重锤的作用下信号臂板抬起，恢复禁止通过的水平状态。这样就可在拉线断开的故障下，导向禁止通行的状态，以确保行车安全。

上图是现再在铁路上广泛使用的工频连续式轨道电路，它是用来辨认线路状态的。当线路没有被占用时，线路受电端的受电变压器BZ4会有十几伏的电压输出，这个电压可以使相应的信号继电器JZXC-480吸起，它的接点接通信号连锁电路，排出相应的进路，与之有关的信号机就可以开放，放行列车或车列通过。当线路被占用时，钢轨被车辆的轮对短路，线路受电端的受电变压器就没有电压输出，相应的信号继电器就不能吸起，信号连锁电路就不能解锁，与之有关的信号机就不能开放。

在故障状态，如送、受电端的电路断线，钢轨断裂，继电器本身损坏等情况下受电变压器都不会有电压输出。这样与之相关的轨道区段就不能开放，也就保证了行车安全。

这种设计理念是不是也应该在电路设计中应用呢？我看是应该的，否则就会因为某一个元件（特别是处在关键部位的易损元件）而引起电路的连锁损坏。在日常维修中，一大片元件被烧毁，甚至整机报废的并不少见。这不会是所有的元件一块损坏吧？

上图左边是稳压电源常用的输出电压调整方式，在这种方式中，当电压调整电位器中点接触不良时，取样检测电路检测到一个错误的信号——输出电压为零。所以调整部分就会加大输出，使输出电压升高到接近稳压电源的输入电压为止。如果稳压电源的输入电压超过了负载所能承受的最高电源电压，就必然烧毁所带的负载。显然对于这个处在关键部位并且易损的电位器来说，不符合故障导向安全原则。如果我们做成右边的样子，当电位器接触不良时，检测到的电压升高，通过调整电路调整，输出电压降低当然不会烧毁所带的负载，这就符合了故障导向安全原则。这是一个很普遍的例子，再看下例。

上图是我采用过的两个极性转换电路，粗看没有什么不同，实则不然。JA和JB是继电器的两组普通接点，不是非镕接性的。当发生熔接故障时，左边的电路就会将电源短路，而右边则不会，仅是没有电压输出。我就在使用中发生过以上故障，后才改为右边的电路。

所以对于处在关键的易损元件，进行故障分析是必要的。

为了避免某个元件的损坏而引起的故障扩大，在设计电路时对于有可能引起连锁反应而损坏其它部分的元件一定要高度注意。这就需要根据元件损坏变质的性质和参数改变的方向（如电阻是阻值变大、断路；电位器是接触不良；电容是击穿，容量减退；半导体器件就更复杂一些），在那些能引起故障扩大的方向上给元器件的参数留出充足的余地。

对于其它的易损元件，进行故障分析也是必要的。虽然它不会引起故障的扩大，但却使用电器的性能受到很大的影响。

譬如上图是某吸尘器的调速控制电路，这里调速电位器W是一个极易损坏的元件。左边是原厂家所使用的电路。这种方式当电位器W接触不良时，吸尘器停机，或在停机与欲控转速之间跳动。这时吸尘器不能使用，或使用受到严重影响。中间和右边两个电路我认为是应该采取的控制方式，这两种控制方式，同样都是电位器接触不良的原因，所引起的故障现象和左边却大不相同。中间的电路吸尘器慢速，或在慢速与欲控转速之间跳动；右边的电路吸尘器高速，或在高速与正常转速之间跳动。

由此可以看出，由于电位器接触不良所引起的故障，对于吸尘器的使用右边的电路影响最小，左边的电路影响最大，我们为什么不采用右边的控制方式呢。

为了电路可靠安全的运行，还要充分考虑实际应用的情况。

上图是一个宽范围可调稳压电源电路。在张国峰、张维编，人民邮电出版社出版的无线电爱好者丛书《实用稳定电源150例》中第一篇就是这个电路，其它报刊杂志也有刊登。我制作过它，实际上它不能用，并烧毁过我珍贵的负载。在这里我的制作绝对没有问题，问题出在哪里哪？

我们看它的输出端接有一个电解电容C2，即使没有这个电容，所接的负载电路上也很可能有更大容量的电源滤波电容，当我们把稳压电源的输出电压由高调至最低时，如果调的较快，不用很快，只要电容C2通过R4和负载放电使电压降低地不如你调得快，电容C2上的电压就会通过BG4、BG5的be结放电，这时电位器的中点已和电源负极接触，放电通路没有任何限流元件，电流很容易将BG4或BG5的be结烧坏，一旦这样输出电压就会大增，不烧坏你的负载才怪哪？

为了使我们设计的产品能更好更安全的运转，还有两个现在很流行的设计理念，不知是否合理，请大家分析，反正我认为非常不好，除了可以降低厂家的生产成本外，对广大用户一点好处也没有。

1、某些电子产品很宽的电源电压适应范围是否合理。譬如一个适应90伏至240伏的用电器，既然它能在90伏的电压下工作，就说明它的开关电源的占空比能升的很高，这样当它在240伏的电压下工作时，一旦电源占空比控制电路发生故障而使占空比失控升高时，就可能使输出电压升的很高，任何负载都不可能承受这么大的电压冲击。既是有过压保护电路，是不是还是冲击小一点好呢。哪里的电压会这么不稳定呢，我看还是按实际的电压范围来设计电路，遵守中庸之道较好。否则，正常时没有问题，一旦出现故障就不好说了。

2、过多的功能。功能是必须的，没有功能还有什么用呢？但多了就不一定是好事，没有用，或用不上的功能多了就肯定是坏事。因为电路的可靠性是和电路的复杂程度有关的，多一个元件，可靠性就要乘上一个小于1的系数，因为任何元器件可靠性都不可能等于1。功能多了所用的元器件必然增多，集成电路必然要复杂，电路的可靠性就一定要降低。没有用或用不上的功能放在那里，除了满足一下虚荣心外，只能增加故障率。在某些单位多功能电话机因为使用不当，经常出故障，搞得通讯工疲于奔命就是一个例子。

全制式电视机也是一个例子，本来没有故障的电视机，也是因为使用不当而造成无彩色或无声音的故障屡见不鲜。而其中的多制式肯定是要降低电视机清晰度的，而不管你狡辩你采用了什么技术，因为你采用的技术非多制式的电视机也可以采用，你有高频损失而人家没有，你的清晰度怎能和人家比哪？本来多制式是厂家为了增加市场需求，进而增加产量、降低成本的做法。不知就里的许多人却愿意为此多掏腰包，真是可悲之极。有点跑题了，打住。