《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 電源技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 一種新型礦用本質(zhì)安全型電源設(shè)計(jì)
一種新型礦用本質(zhì)安全型電源設(shè)計(jì)
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
石建華1,王玉慶2,,張宏賓3
(1.河南德信職業(yè)衛(wèi)生技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司,,河南 鄭州450042; 2.河南廣播電視大學(xué)機(jī)電工程系,,河南 鄭州450046,;3.河南省天盾安全生產(chǎn)技術(shù)有限公司,河南 鄭州450042)
摘要: 根據(jù)煤礦井下常用的隔爆兼本安電源的功能要求,,參照ExibI本安防爆的基本標(biāo)準(zhǔn),、本安電源的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的基本要求,利用浪涌抑制器芯片LT4356作為過(guò)壓過(guò)流保護(hù)器件,,采用雙重過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路,設(shè)計(jì)了一種具有自動(dòng)恢復(fù)功能,、欠壓饋電檢測(cè)功能、電源輸出為雙路18V/1A的本安電源,。在實(shí)際使用中,它具有輸出可靠,、帶負(fù)載能力強(qiáng)、體積小,、裝配調(diào)試簡(jiǎn)單,、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。
中圖分類號(hào): TP212
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.031

中文引用格式: 石建華,,王玉慶,,張宏賓. 一種新型礦用本質(zhì)安全型電源設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2015,,41(11):112-114.
英文引用格式: Shi Jianhua,,Wang Yuqing,Zhang Hongbin. A new design of mine intrinsically safe power supply[J].Application of Electronic Technique,,2015,,41(11):112-114.
A new design of mine intrinsically safe power supply
Shi Jianhua1,,Wang Yuqing2,Zhang Hongbin3
1.HeNan Dickson Occupational health Technical Advisory Services CO.,,Ltd,,Zhengzhou 450042,China,; 2.Mechanical and Electrical Engineering,,HeNan Radio and Television University,Zhengzhou 450046,,China,; 3.HeNan TianDun safe production technology CO.,Ltd,,Zhengzhou 450042,,China
Abstract: According to the characteristics of proof and intrinsically safe power supply commonly used vibration of coal mine, introduces the basic requirements of ExibI explosion-proof and intrinsically safe power supply of the working principle, system structure and circuit design. The use of power surge suppressor chip LT4356 as the overvoltage and overcurrent protection device adopts double over-voltage and over-current protection circuit, and has the automatic recovery, undervoltage feed detection function, the output of the power supply for the dual 18 V and 1 A. In actual use, it has a reliable output and load capacity, small volume, simple assembly and debugging, simple installation etc.
Key words : intrinsically safe;surge stopper,;overvoltage and overcurrent protection circuit

 

0 引言

  隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,,煤礦井下作業(yè)環(huán)境中使用自動(dòng)化設(shè)備的程度越來(lái)越高,各種檢測(cè)儀表大量涌現(xiàn),,致使本安電源在礦井中的使用越來(lái)越頻繁,同時(shí)對(duì)其參數(shù)要求和使用要求也越來(lái)越高,。目前在煤礦井下本安電源已經(jīng)是一個(gè)不可替代的安全供電設(shè)備。通常情況下,,煤礦井下存在瓦斯等爆炸性氣體,,各種儀表都要求本安設(shè)計(jì),但是在供電過(guò)程中,,也需要本安電源來(lái)供電,,以達(dá)到安全要求。這就要求本安電源在設(shè)計(jì)過(guò)程中一定要考慮到電路中電壓,、電流以及功率等情況,,某些特殊應(yīng)用還需要考慮到保護(hù)的速度等情況,作好充分的保護(hù)工作,,以防止過(guò)壓或過(guò)流以及保護(hù)不及時(shí)而產(chǎn)生井下瓦斯氣體爆炸等情況,,造成不必要的人員和財(cái)產(chǎn)損失[5]。

  本質(zhì)安全型電源即本安電源,由于它通常有一個(gè)隔爆外殼,,所以也叫做隔爆兼本安電源,。在中國(guó)防爆國(guó)標(biāo)和煤礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)本安輸出特點(diǎn)有詳細(xì)規(guī)定。主要有:(1)輸出的電壓電流不能點(diǎn)燃周圍的可燃?xì)怏w,;(2)本安與非本安之間必須有可靠的隔離[2],;(3)輸出保護(hù)必須采用雙重保護(hù)機(jī)制[3];(4)有后備電源的要求采用安全系數(shù)高的環(huán)保型鎳氫或磷酸鐵鋰電池,并同時(shí)滿足GB3836.4-2010中第10條和MT/T1051-2007《礦燈用鋰離子蓄電池》的安全規(guī)定[4]。上述這些要求同時(shí)也給設(shè)計(jì)本安電源提供了努力的方向,。

1 系統(tǒng)原理

  本文中介紹的本安電源是帶有后備電池的本安電源,,根據(jù)國(guó)家煤礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用要求,隔爆兼本安電源的組成部分大致包括:隔爆外殼,、變壓器,、交直流變換電路、直流穩(wěn)壓電路,、電池管理電路,、后備電池、一級(jí)過(guò)壓過(guò)流保護(hù),、二級(jí)過(guò)壓過(guò)流保護(hù),。電池考慮到安全性和環(huán)保性,本設(shè)計(jì)采用了24 V/5 Ah磷酸鐵鋰電池,。系統(tǒng)工作原理框圖如1所示,。

001.jpg

  其工作原理為:井下高壓電源通過(guò)變壓器降壓,低壓交流電經(jīng)過(guò)交直流變換穩(wěn)壓后,,經(jīng)過(guò)一級(jí)過(guò)壓過(guò)流保護(hù),,再經(jīng)過(guò)二級(jí)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)后輸出18 V/1 A的電源,。當(dāng)外供電臨時(shí)斷電后,,后備電池供電,經(jīng)過(guò)直流穩(wěn)壓電路,,然后再經(jīng)過(guò)一,、二級(jí)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路輸出18 V/1 A的電源。當(dāng)外供電正常時(shí),,外供電對(duì)電池充電,。當(dāng)電池供電時(shí),可以滿負(fù)荷供電2.5 h以上,,完全滿足安全監(jiān)控系統(tǒng)的要求,。

2 方案設(shè)計(jì)

  2.1 變壓器及交直流變換

  變壓器是一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié),它既可以作為高壓變低壓的轉(zhuǎn)換器件,,也可以作為本安與非本安的中間隔離器件,。應(yīng)當(dāng)選用隔離耐壓較高,漏磁小,,噪聲小的R型變壓器,。由于井下一般的照明電是127 V,動(dòng)力電為380 V,、660 V,、1 140 V幾種,為了滿足不同的電壓輸入通常采用多頭輸入的變壓器,這樣使用性更強(qiáng),。在變壓器輸出后再通過(guò)整流橋?yàn)V波電路輸出32 V左右的電壓,。具體電路如圖2所示。

002.jpg

  2.2 直流穩(wěn)壓電路

  經(jīng)過(guò)整流變換的電源信號(hào)紋波較大,,還必須進(jìn)行穩(wěn)壓和濾波處理,,獲得較為理想的直流信號(hào),并將其做為整個(gè)系統(tǒng)的輸入直流電源,。本設(shè)計(jì)采用國(guó)產(chǎn)的大功率DC/DC電源模塊XL4015,,此模塊輸入電壓8 V~36 V,輸出1.25 V~32 V可調(diào),,最大輸出電流5 A,。同樣滿足GB3836.4規(guī)定的1.5倍的功率余量設(shè)計(jì)。電路圖如圖3所示,。

003.jpg

  2.3 保護(hù)電路

  傳統(tǒng)的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)措施是先調(diào)整好合適的電壓電流閾值,,通過(guò)采樣電阻采樣,然后將信號(hào)送給比較器,,進(jìn)行正常的保護(hù)功能,。這個(gè)方法在生產(chǎn)調(diào)試時(shí)操作復(fù)雜,有時(shí)電位器發(fā)生偏移也容易導(dǎo)致閾值發(fā)生偏移,,存在諸多隱患,。

  本設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的浪涌抑制器芯片LT4356和場(chǎng)效應(yīng)管IRF2805為核心器件設(shè)計(jì)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路。LT4356是凌特(LT)公司生產(chǎn)的一款具有故障鎖斷功能的浪涌抑制器,,該器件能同時(shí)進(jìn)行過(guò)壓和過(guò)流保護(hù),,工作電壓范圍可到4 V~80 V,在不對(duì)自身和負(fù)載造成損壞的前提下提供-60 V的反向輸入保護(hù),、輸出電壓檢測(cè),,集檢測(cè)保護(hù)于一體,既提高了系統(tǒng)的可靠性,,也簡(jiǎn)化了調(diào)試操作,,提高了生產(chǎn)效率。下面詳細(xì)介紹電路的設(shè)計(jì)情況[1],。

  2.3.1 過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)

004.jpg

  如圖4所示,,直流電源輸入到LT4356后通過(guò)RSNS進(jìn)行采樣,當(dāng)RSNS兩端的壓降控制LT4356的GATE端以實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)功能,。采樣電阻兩端VCC和SNS端的壓降和內(nèi)部50 mV基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,,當(dāng)采樣電阻壓降大于50 mV時(shí),電路進(jìn)入過(guò)流保護(hù),。SNS端最低還能夠工作在-60 V,,SNS端和VCC端的壓降不能超過(guò)30 V,。本文介紹的電源是18 V/1 A的電流,故可以計(jì)算出[1]:

  RSNS=50 mV/1 A=50 mΩ

  2.3.2 過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)

  LT4356的一個(gè)重要作用就是浪涌抑制,,它內(nèi)部可以設(shè)置一個(gè)箝位電壓,,當(dāng)電壓超過(guò)箝位電壓時(shí),LT4356起作用,,保證輸出電壓在箝位電壓以下,。本文就是利用這個(gè)功能來(lái)達(dá)到過(guò)壓保護(hù)的設(shè)計(jì)目的。如圖4所示,,LT4356有一個(gè)FB端,,它內(nèi)部連接一個(gè)電壓比較器,F(xiàn)B端的反饋電壓和內(nèi)部的1.25 V基準(zhǔn)電壓比較來(lái)控制芯片GATE的輸出,,GATE端和外部的MOS管的柵極連接來(lái)控制電壓的輸出,。當(dāng)電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí),MOS管關(guān)斷以實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)功能,。R1和R2兩個(gè)電阻分壓后,,連接到FB端,發(fā)生過(guò)壓時(shí),,芯片即進(jìn)入故障狀態(tài),,在故障周期內(nèi),GATE端控制MOSFET繼續(xù)保持導(dǎo)通,,直到時(shí)間超過(guò)故障設(shè)定的時(shí)間,,GATE端控制MOSFET關(guān)斷,進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)[6],。計(jì)算R1,、R2的值使用如下方法:

  浪涌抑制箝位電壓VREG=1.25×(R1+R2)/R2,輸出的本安電源是18 V,,所以,箝位電壓VREG=1.25×(R1+R2)/R2=18 V,,R1=13.4R2,。

  考慮到故障時(shí)經(jīng)過(guò)R2的電流一般控制在0.2 mA~1 mA之間,電源本身有一定的穩(wěn)定度,,而且對(duì)保護(hù)電壓也要有一定的余量,,避免頻繁誤動(dòng)作,取R2=1.5 kΩ,,計(jì)算出R1=20.1 kΩ,,選R1=22 kΩ,此時(shí)設(shè)計(jì)出的箝位電壓為19.58 V,。在圖4中的R4,、R5為電池供電時(shí)的低電壓檢測(cè)設(shè)置,,根據(jù)使用電池的情況,可以合理地設(shè)置欠壓條件,。如果不使用可以懸空,。

  2.3.3 場(chǎng)效應(yīng)管的功率選擇設(shè)計(jì)

  當(dāng)發(fā)生過(guò)壓過(guò)流時(shí),功率器件MOSFET并沒(méi)有及時(shí)關(guān)閉,,而是還要工作較長(zhǎng)一段時(shí)間,,此時(shí)間一般稱為故障時(shí)間,因此對(duì)MOSFET的性能提出了較高要求,。對(duì)MOSFET重點(diǎn)考核的參數(shù)有導(dǎo)通電阻RDS(ON),,最大漏源電壓VDSS和安全工作區(qū)SOA曲線等。根據(jù)上述的特點(diǎn),,本文選擇IRF2805做為開(kāi)關(guān)控制功率器件,。其源漏電壓VDSS最大達(dá)到55 V,漏極電流ID最大為75 A,,整體耗散功率可以用下式計(jì)算:

  P=VREG×50 mV/RSNS=18 V×50 mV/50 mΩ=18 W

  而本設(shè)計(jì)選用的IRF2805完全滿足電路的設(shè)計(jì)要求,。

  2.3.4 故障時(shí)間設(shè)置

  故障時(shí)間實(shí)際上是本安電路保護(hù)時(shí)的反應(yīng)時(shí)間。本安電路的故障時(shí)間能夠通過(guò)LT4356芯片上的一個(gè)TMR端的電容(CTMR)來(lái)調(diào)節(jié),。在故障時(shí)間內(nèi)電路箝位工作在給定的電壓和電流值范圍內(nèi),,當(dāng)超過(guò)故障時(shí)間時(shí),MOSFET關(guān)斷以保護(hù)后級(jí)電路不被損壞,。電容CTMR同樣也控制著電路恢復(fù)時(shí)間,,經(jīng)過(guò)一段恢復(fù)時(shí)間后,LT4356會(huì)自動(dòng)重啟,。適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電路故障時(shí)間來(lái)設(shè)置保護(hù)電路的保護(hù)反應(yīng)速度,,這也是提高電路安全性能的一個(gè)重要方法。根據(jù)LT4356芯片數(shù)據(jù)手冊(cè),,故障時(shí)間的計(jì)算為:

  T=CTMR×100 mV/5 A

  如果取CTMR=1 F,,則故障時(shí)間大約為2 ms。

3 實(shí)驗(yàn)分析

  本安電源設(shè)計(jì)除了結(jié)構(gòu)上的要求外,,電氣的要求就是過(guò)壓過(guò)流保護(hù)速度和恢復(fù)時(shí)間的問(wèn)題了,。本文設(shè)計(jì)的本安電源經(jīng)過(guò)國(guó)家煤礦防爆安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心試驗(yàn),主要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,。

005.jpg

  本表格中的數(shù)據(jù)表明,,本電源設(shè)計(jì)電氣參數(shù)符合要求,在實(shí)際工作過(guò)程中,,其電路具體保護(hù)速度為:當(dāng)超過(guò)19.58 V達(dá)到2 ms時(shí),,電路進(jìn)入保護(hù),當(dāng)電路等待2 ms后,,電路自動(dòng)恢復(fù)功能,;對(duì)于負(fù)載電流,,當(dāng)電路電流超過(guò)1.05 A達(dá)到2 ms時(shí),電路進(jìn)入保護(hù),,當(dāng)電路等待2 ms后,,電路自動(dòng)恢復(fù)功能。經(jīng)過(guò)火花實(shí)驗(yàn),,其任一選擇的正常和故障狀態(tài)下的短路,、通斷實(shí)驗(yàn)均未出現(xiàn)點(diǎn)燃現(xiàn)象,其最終本安參數(shù)分別為UO=18 V,、I0=1.05 A,、CO=0.1 ?滋F、LO=0.1 mH,,完全滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求,。

4 結(jié)論

  本文設(shè)計(jì)了一款新型的帶備電的本安電源,它具有雙重的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)功能,,當(dāng)電路發(fā)生故障時(shí)保護(hù)井下設(shè)備,,當(dāng)故障解除時(shí),可以自動(dòng)恢復(fù),,進(jìn)入到正常保護(hù)狀態(tài),,重新保護(hù)井下設(shè)備安全運(yùn)行。本電源已通過(guò)國(guó)家安標(biāo)檢驗(yàn),,在使用過(guò)程中表現(xiàn)良好,。但是由于存在過(guò)壓過(guò)流和快速保護(hù)功能,因此對(duì)于某些上電后有沖擊電流的負(fù)載,,可能造成不能正常工作,,還需要在設(shè)計(jì)負(fù)載設(shè)備時(shí)增加軟啟動(dòng)電路,使得電源負(fù)載能穩(wěn)步增加,,降低電路中的瞬間電流,,從而避免誤動(dòng)作的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

   [1] LT4356-1/LT4356-2 Surge Stopper Data Sheet[OL].LinearTechnology Corporation.

  [2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB3836.1-2010.爆炸性環(huán)境 第1部分 設(shè)備通用要求[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,,2011.

  [3] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB3836.4-2010爆炸性環(huán)境 第4部分由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,,2011.

  [4] 中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 1051-2007.礦燈用鋰離子蓄電池[S].北京:煤炭工業(yè)出版社,2008.

  [5] 徐磊,,周孟然,趙祥.煤礦實(shí)用本安電源設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,,2012(3):33-03.

  [6] 戴錢(qián)坤,,謝君甫.鄒曉漁.一種新型機(jī)載防浪涌電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2011(11).


此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。