樊勇

摘 要：嚴(yán)格按照本安電路的設(shè)計(jì)原則及方法，介紹了一種礦用本質(zhì)安全型電源，該電源可用于含爆炸氣體和粉塵的煤礦井下，擁有兩級過流保護(hù)一級過壓保護(hù)，重點(diǎn)介紹了過流保護(hù)和過壓保護(hù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，并測試了它的機(jī)械性能和電氣性能，結(jié)果表明該設(shè)備通過了國家各項(xiàng)指標(biāo)，在煤礦的實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：本安;電源;設(shè)計(jì);實(shí)現(xiàn)

1.引言

近年來，我國煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化程度日益提高，礦井監(jiān)控、通訊、儀表自動(dòng)化系統(tǒng)等應(yīng)用日益普遍，但煤礦的特殊環(huán)境，要求煤礦電氣設(shè)備必須采用本安設(shè)備。本安電源作為礦用本安系統(tǒng)不可缺少的組成部分，其技術(shù)先進(jìn)性和產(chǎn)品質(zhì)量決定了本安設(shè)備的可靠性，從而直接影響到監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，關(guān)系到礦井安全生產(chǎn)、抗災(zāi)能力和礦工安危。

一 .系統(tǒng)整體方案

根據(jù)煤礦用直流穩(wěn)壓電源的標(biāo)準(zhǔn)，電源輸入電壓為交流127V標(biāo)稱值的75%～110%（即95V～140V），輸出電壓的紋波電壓不應(yīng)超過直流輸出電壓12V的5%.根據(jù)要求，本文采用TOP244Y開關(guān)電源芯片，在高頻開關(guān)電源的基礎(chǔ)上，外加過壓保護(hù)電路、過流保護(hù)電路，設(shè)計(jì)了新型的12V本質(zhì)安全型電源（最高開路電壓12.4V、最大短路電流150mA）。

二 系統(tǒng)整體方案

根據(jù)煤礦用直流穩(wěn)壓電源的標(biāo)準(zhǔn)，電源輸入電壓為交流127V標(biāo)稱值的75%～110%（即95V～140V），輸出電壓的紋波電壓不應(yīng)超過直流輸出電壓12V的5%.根據(jù)要求，本文采用TOP244Y開關(guān)電源芯片，在高頻開關(guān)電源的基礎(chǔ)上，外加過壓保護(hù)電路、過流保護(hù)電路，設(shè)計(jì)了新型的12V本質(zhì)安全型電源（最高開路電壓12.4V、最大短路電流150mA）。

如圖1所示，本系統(tǒng)包括以下3個(gè)部分：

開關(guān)電源電路、過壓保護(hù)電路、過流保護(hù)電路。

三 .硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 開關(guān)電源電路

開關(guān)電源電路將交流電127V轉(zhuǎn)變成直流電23V.電路原理圖如圖2所示，交流電經(jīng)過整流、濾波，成為紋波較大的直流電，通過高頻變壓器、開關(guān)電源芯片TOP244Y得到23V的直流電。

TOP244Y是Power Integration公司的TopSwitch II系列產(chǎn)品，它便于實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的交流輸入電壓范圍是85V～265V.它能同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、從外部設(shè)定極限電流、降低最大占空比等功能。TOP244Y具有頻率抖動(dòng)特性，這對降低電磁干擾很有幫助。

TOP244Y的1引腳用于占空比控制，根據(jù)反饋電壓改變占空比，調(diào)節(jié)電壓穩(wěn)定輸出;2引腳提供線電壓的過壓、欠壓等自動(dòng)監(jiān)測和調(diào)整;3引腳通常與三極管相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)控制，當(dāng)三極管導(dǎo)通，3引腳接地，TOP244Y正常工作，當(dāng)三極管斷開，3引腳類于懸空，TOP244Y失能;4引腳為TOP244Y內(nèi)部MOSFET的源極，6引腳為內(nèi)部MOSFET的漏極，作為開關(guān)使用，提供給高頻變壓器;5引腳為頻率引腳，接地時(shí)TOP244Y的工作開關(guān)頻率為132KHz.R3為欠壓或過壓檢測電阻，并能給線路提供電壓前饋，以減少開關(guān)頻率的波動(dòng)。D2、D3構(gòu)成漏極鉗位電路，可吸收內(nèi)部MOSFET關(guān)斷時(shí)由高頻變壓器T1初級漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，保護(hù)MOSFET不受損。電阻R5用來從外部設(shè)定功率開關(guān)管的漏極極限電流，使之略高于滿載或輸入欠壓時(shí)的漏極峰值電流，這就允許在電源起動(dòng)過程中或輸出負(fù)載不穩(wěn)定但未出現(xiàn)飽和的情況下采用較小尺寸的高頻變壓器。當(dāng)輸入直流電壓過壓時(shí)，R5還能自動(dòng)降低最大占空比Dmax，對最大負(fù)載功率加以限制。

精密光耦反饋電路由線性光電耦合器PC817A、穩(wěn)壓管D7、電阻R6、R8組成。輸出電壓Uo經(jīng)過光耦去改變TOP244Y的1引腳電流IC，使占空比發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)Uo保持不變。反饋繞組的輸出電壓經(jīng)D3、C8整流濾波后，給光耦中的接收管提供偏壓。C10還與R14一起構(gòu)成尖峰電壓濾波器，使偏置電壓在負(fù)載較重時(shí)能保持恒定。 3.2 過壓保護(hù)電路

如圖3所示，當(dāng)輸出電壓12V因某種原因增加時(shí)（假設(shè)增加到13V），D11、D13穩(wěn)壓管導(dǎo)通，分別觸發(fā)快速可控硅Q4、Q6，導(dǎo)通光電耦合器U2、U4，通過A、B點(diǎn)連接的三極管Q2、Q3基極電平被拉成低電平，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)電源芯片TOP244Y的遠(yuǎn)程失能控制，TOP244Y停止工作，VCC電壓為零，最終輸出電壓為零，實(shí)現(xiàn)輸出過壓保護(hù)。圖中R11、R15的作用是減小快速可控硅輸入端的偏置電流。

四 12V的直流電壓輸出

12V直流電壓通過耐壓值為50V電容量為47uF的電容進(jìn)一步濾波后送入LM317集成模塊，該模塊的負(fù)載電流為1.5A，輸出電壓為10V，該10V的直流電壓通過3W/0.68J的限流電阻以及兩個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管后進(jìn)入7805穩(wěn)壓模塊，該模塊的負(fù)載電流為2A，輸入電壓范圍為6-12V，具有過流保護(hù)，可在-45-85°C范圍內(nèi)正常工作，經(jīng)過7805模塊后，將輸出+5V的直流電壓 。當(dāng)電路因?yàn)槎搪坊蛘哓?fù)載過小，而使得輸出電流超過800mA時(shí)（以第一路為例），電阻R9上的壓降會(huì)迅速增大，從而使得R5上的壓降也隨之增大，于是三極管Q2的基極電位降低，三極管Q2由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)，由于有電流流過，故R3與R4連接處的電位增大，從而是Q1由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)，由于Q1導(dǎo)通后，其上的壓降只有1V，所以R2與R1連接處的電位只有1V，此時(shí)LM317的輸出端的電壓會(huì)因?yàn)镽2與R1連接處的電位下降，而跌至1.9V。[6]從而實(shí)現(xiàn)第一級過流保護(hù)。同時(shí)因?yàn)殡娮鑂9上的壓降增大，使得R10，R11兩端的電壓也隨之下降，運(yùn)算放大器LM393反相端的電位值下降，從而使得LM393的輸出正電壓值增大，從而使得金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管Q3，Q4的柵極電位值上升，柵極與源級的電壓差值增大，最終使得Q3，Q4的漏極與源極之間的電荷通道因?yàn)榉聪螂妷旱淖饔弥鸩较?，最終使得Q3，Q4逐步由導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，最終使得7805模塊的輸入電壓為0，從而起到第二級過流保護(hù)的作用

結(jié)束語

基于新型本安電源的設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)的各個(gè)部分的設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了詳述，并對電源進(jìn)行了性能測試。該方案中的電源電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用多種保護(hù)措施，適合在煤礦井下具有煤塵、甲烷等爆炸性氣體及潮濕惡劣環(huán)境下工作，是保證井下設(shè)備安全生產(chǎn)，高效運(yùn)行的理想技術(shù)裝備，也適用于化工、冶金、軋鋼、港口、電廠等環(huán)境惡劣的其他領(lǐng)域。