周亞夫 許辰雨

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,北京市石景山區(qū),100042)

礦用本安電源保護(hù)電路的優(yōu)化設(shè)計

周亞夫 許辰雨

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,北京市石景山區(qū),100042)

礦用本安電源是煤礦井下供電設(shè)備中的重要組成部分,礦用本安電源不僅包括主電路、保護(hù)電路,同時還包括備用電源以及防爆外殼,其中保護(hù)電路也是其核心部分。通過在礦用本安電源保護(hù)電路設(shè)計中加入MAX4080SASA的電流檢測芯片和LM339比較器設(shè)計的新型保護(hù)電路,針對本安電源中的保護(hù)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,以期進(jìn)一步提高本安電源的質(zhì)量和安全性。

本安電源 保護(hù)電路 優(yōu)化設(shè)計

隨著社會的發(fā)展,人們對安全生產(chǎn)日益重視,本質(zhì)安全型(以下簡稱“本安”)電路在煤礦井下的使用也逐漸增多,而作為電氣化裝置的供電核心,電源成為本安電氣設(shè)備中最為關(guān)鍵的設(shè)備。所以,礦用本質(zhì)安全型電源的質(zhì)量以及技術(shù)水平也越來越受到人們的重視,確保其在正常工作或故障狀態(tài)下,產(chǎn)生的熱效應(yīng)及電火花聚集的能量都不足以點燃周圍環(huán)境中爆炸性氣體,從而保證整個礦井的安全生產(chǎn)。

1 礦用本安電源的基本結(jié)構(gòu)分析

由于煤礦井下環(huán)境的特殊性,本安電源的基本結(jié)構(gòu)主要有整流濾波電路、充電電路以及變壓器降壓電路、電壓調(diào)節(jié)電路、電源轉(zhuǎn)換電路以及多重限能電路等組成,礦用本安電源基本電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 礦用本安電源基本電路結(jié)構(gòu)圖

在礦用本安電源中,電源本質(zhì)安全性能主要是依靠多重化輸出限能實現(xiàn)電路保護(hù)的,所以保護(hù)電路是設(shè)計的重點。多重化輸出限能保護(hù)電路在電網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)或者負(fù)載電路中發(fā)生故障的情況下,能夠有效地通過對自身電路中的電壓以及電流進(jìn)行保護(hù),進(jìn)而防止電路中產(chǎn)生超出安全范圍的電火花。由于在煤礦井下的本安電源中,整個電路主要是放置在標(biāo)準(zhǔn)要求較高的防爆外殼中,所以只需要保證輸出滿足本安要求就能夠滿足礦用電源電路的要求,因此礦用本安電源的關(guān)鍵就是設(shè)計一個滿足本質(zhì)安全要求的保護(hù)電路。

2 礦用本安電源保護(hù)電路的設(shè)計方案分析

2.1 礦用本安電源保護(hù)電路設(shè)計的基本原則

在礦用本安電源電路設(shè)計中,應(yīng)嚴(yán)格按照以下3點進(jìn)行設(shè)計:

(1)礦用本安電路設(shè)計時必須與其他獨立的本安電路以及非本安電路隔離;

(2)確保礦用本安電路中所有元件的熱效應(yīng)所聚集的能量不足以點燃礦井規(guī)定條件下的爆炸性氣體混合物;

(3)在本安電路設(shè)計中,必須嚴(yán)格按照電氣設(shè)備規(guī)定的等級進(jìn)行評定,抑制電火花的產(chǎn)生。

僅根據(jù)上述3項原則并不完全能夠達(dá)到煤礦井下電路的安全要求,所以在電路設(shè)計中,還可以通過在原有電路的基礎(chǔ)上通過采用一些其他的器件,進(jìn)一步提高礦用本安電路設(shè)計的安全性和應(yīng)用的可靠性。

2.2 礦用本安電源保護(hù)電路設(shè)計方案

礦用本安電源保護(hù)電路的設(shè)計主要是在傳統(tǒng)的礦用本安電源保護(hù)電路的基礎(chǔ)上,提出了一種基于MAX4080SASA的電流檢測芯片和LM339比較器的新型礦用本安電源保護(hù)電路。礦用本安電源保護(hù)電路如圖2所示。

圖2 礦用本安電源保護(hù)電路圖

在此電路設(shè)計中,主要采用兩片TL431(德州儀器公司推出的一款熱穩(wěn)性能良好的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源)的U1和U2對電路提供電源,其中U2主要是電路系統(tǒng)中2.5 V的電壓比較基準(zhǔn)源,而U1是為整個電路提供10 V電源,在具體使用的過程中主要是通過在電源的輸入端Vcc上連接一個阻值限流電阻,使得U1中的電流控制在20 m A左右。同時在礦用本安電源保護(hù)電路設(shè)計中,主要采用50×10－6kΩ的檢測電阻和MAX4080SASA芯片對電路進(jìn)行檢測,其中電流檢測芯片可以為電路提供高達(dá)60倍的放大倍數(shù),直接輸出電壓信號,假如當(dāng)電路中通過1 A的電流時,則對地輸出的電壓則為3.0 V。另外,在電路設(shè)計中,電壓檢測信號主要有外部電阻進(jìn)行分壓后從SIN端輸入,然后再采用核心比較器LM339將比較的結(jié)果對三極管實現(xiàn)驅(qū)動,最終在V2端將保護(hù)信號輸出。需要注意的是,本電路在實際運行中,還應(yīng)該將低導(dǎo)通電阻的P溝道場效應(yīng)接入,這樣才能實現(xiàn)保護(hù)功能。

3 新型礦用本安電源保護(hù)電路的保護(hù)原理

當(dāng)新型礦用本安電源的保護(hù)電路后級負(fù)載發(fā)生過電流現(xiàn)象時,將會導(dǎo)致U4A翻轉(zhuǎn),輸出低電平,然后再由二極管將三極管V2的基極電壓降低,將保護(hù)輸出信號VOUT值增高,達(dá)到保護(hù)的功能。另外,在此次設(shè)計的新型礦用本安型電源保護(hù)電路中,還能夠?qū)⑷龢O管V1飽和導(dǎo)通,從而使電壓電源Vcc直接加載到電容上,達(dá)到瞬間充電功能。比較器引腳11中的電壓為6.2 V,當(dāng)引腳10中的電壓高于引腳11時,強(qiáng)制比較器U4D將會轉(zhuǎn)變輸出低電平,并通過二極管D3使V2的基極電壓降低,最終實現(xiàn)保護(hù)功能。

在此新型的礦用本安電源保護(hù)電路中,如果電路中的電流為1 A時,那么電路中的電流檢測芯片的總輸出電壓將為3 V,同時本安電源保護(hù)電路中外接的電阻可以分壓2.5 V,并且在電路中,電阻R14和R15的作用主要是為了將器件的差異進(jìn)行抵消,另外在本電路中,MOS場效應(yīng)管的控制主要是由模塊引腳7實現(xiàn)的,并且MOS場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻是8×10－6kΩ,基本相當(dāng)于沒有導(dǎo)通壓降。因此,當(dāng)電路在1 A電流下,插入兩級保護(hù)的壓降也不會超過0.12 V,在礦用本安電源保護(hù)電路設(shè)計中采用此模塊進(jìn)行設(shè)計,不僅能夠有效地將本安電源的負(fù)載效應(yīng)控制在1%以下,并且還能夠有效應(yīng)用在高精度采樣的本安設(shè)備中。

4 結(jié)論

綜上所述,礦用本安電源保護(hù)電路作為本安電源電路中的核心部位,其設(shè)計的可行性及有效性直接關(guān)系到整個電路的安全性和可靠性,通過在礦用本安電源保護(hù)電路設(shè)計中加入MAX4080SASA的電流檢測芯片和LM339比較器設(shè)計的新型的保護(hù)電路,雖然成本有所提高,但是此保護(hù)在煤礦井下特殊環(huán)境中應(yīng)用,其保護(hù)精度將會進(jìn)一步提高,最終實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。

[1] 崔保春,王聰,盧其威等.礦用本質(zhì)安全開關(guān)電源的研究[J].中國煤炭,2006(3)

[2] 方斌,沈小強(qiáng),邱宇.一種礦用本質(zhì)安全型設(shè)備軟啟動電路的設(shè)計[J].工礦自動化,2011(6)

[3] 林引.礦用高可靠性本安型傳感器電源電路設(shè)計與實現(xiàn)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013(6)

[4] 張常年,徐中果,王恩成.礦用本安電源的設(shè)計[J].洛陽理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2013(3)

[5] 李尚坤.一種礦用本安型負(fù)載設(shè)備高可靠電源電路的設(shè)計[J].工礦自動化,2012(5)

[6] 朱前偉.礦用本質(zhì)安全電源的基本要求和設(shè)計方法[J].工礦自動化,2012(2)

[7] 呂峰.礦用本安電源電路研究和Matlab仿真[J].電子科技,2013(11)

(責(zé)任編輯 王雅琴)

Research on optimization design of the protection circuit of mine intrinsically safe power

Zhou Yafu,Xu Chenyu
(Beijing Polytechnic College,Shijingshan,Beijing 100042,China)

Mine intrinsically safe power supply is an important part of power supply equipment in coal mine．Mine intrinsically safe power not only includes the main circuit,protection circuit,but also has a standby power supply and an explosion-proof enclosure．The protection circuit is also the core part．By adding MAX4080SASA current detecting chip in protection circuit design and LM339 comparator design model in mine intrinsic safe power,protection circuit has been optimized designed,which further improve the quality and safety of intrinsically safe power supply．

intrinsic safe power,protection circuit,optimization design

TD611

A

周亞夫(1974－),男,河北唐山人,碩士、講師,現(xiàn)任職于北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,主要從事電氣控制方面的教學(xué)和研究工作。