數(shù)控式智能本安型電源的設(shè)計

陳伸

(沈陽廣角成套電器股份有限公司，遼寧 沈陽 110045)

1 引言

煤礦井下環(huán)境特殊，存在瓦斯、粉塵、一氧化碳等易燃易爆物質(zhì)，因此礦井下的各類通信、監(jiān)控、儀表和自動化等系統(tǒng)設(shè)備的供電電源必須滿足防爆要求，本質(zhì)安全型是防爆的最佳形式，所謂本質(zhì)安全電路是指在正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下，產(chǎn)生的任何電火花(火花能量不超過0.25mJ)和熱效應(yīng)均不能引起周圍可燃性氣體燃燒或爆炸的電路。本安型直流穩(wěn)壓電源(簡稱“本安電源”)作為通信、監(jiān)控、儀表和自動化等系統(tǒng)設(shè)備的供電電源其技術(shù)的先進(jìn)性和產(chǎn)品的質(zhì)量決定了整個系統(tǒng)設(shè)備的可靠性。據(jù)行業(yè)信息統(tǒng)計，系統(tǒng)設(shè)備的故障大約有70%以上是由電源引起的。因此本安電源的質(zhì)量和技術(shù)的發(fā)展越來越得到人們的重視。

本安電源在生產(chǎn)和實際應(yīng)用時會碰到一些難題。本安電源輸出的電流遠(yuǎn)大于負(fù)載的工作電流，但是本安電源確經(jīng)常出現(xiàn)誤保護(hù)，無電壓輸出。問題主要集中在電源上電瞬間，這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響了本安電源的帶載能力。

本安電源在出廠調(diào)試時一般接滑動變阻器做為負(fù)載來調(diào)試過流保護(hù)值。ib安全級別有雙重過流保護(hù)，這樣調(diào)節(jié)保護(hù)電流時需要短接一路保護(hù)來調(diào)節(jié)另一路。調(diào)節(jié)本安保護(hù)電路上面的電位器。手動滑動變阻器時滑動的快慢又影響著保護(hù)電流值的精確度，這樣導(dǎo)致檢驗效率很低。

目前本安電源輸出電壓規(guī)格有DC5V、12V、18V、24V的。這幾種規(guī)格的本安電源按常規(guī)電路方案設(shè)計制作，前級的AC/DC轉(zhuǎn)換和本安保護(hù)電路都不能通用互換給生產(chǎn)造成了不小的麻煩。

針對以上狀況，依據(jù)多年積累的防爆電子產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)經(jīng)驗，從原理分析入手查找上述原因的根本所在，通過本安電源電路數(shù)控式設(shè)計，解決了本安電源的誤保護(hù)問題，提高了帶載能力;實現(xiàn)了本安輸出直流電壓和本安保護(hù)電流智能自動調(diào)節(jié)，解決了手動調(diào)節(jié)本安參數(shù)和一塊本安電源可輸出 DC5V、12V、18V、24V任意電壓問題。提高了本安電源的可靠性、穩(wěn)定性和免去了生產(chǎn)調(diào)試工作以及解決了電壓互換性問題。

2 本安電源總體設(shè)計

該本安電源采用AC/DC降壓轉(zhuǎn)換電路、軟啟電路、單片機(jī)控制、采樣電路(A/D轉(zhuǎn)換)、雙重過壓保護(hù)電路、雙重過流保護(hù)電路，如圖1所示。

圖1 本安電源總體框圖

3 本安電源帶載能力

本安電源的帶載能力取決于雙重保護(hù)的調(diào)節(jié)值，該值是經(jīng)國家安全檢驗檢測中心通過火花試驗確定的。調(diào)節(jié)時要分別調(diào)節(jié)保護(hù)1和保護(hù)2的本安電源電流保護(hù)值。在調(diào)節(jié)時一般采用滑動變阻器做為模擬負(fù)載，接至本安輸出端。當(dāng)滑動變阻器阻值減小時，本安輸出電流增大，直到過流保護(hù)?；瑒幼冏杵髯柚翟龃?，模擬故障解除，電源恢復(fù)正常輸出。由上述可見，本安電源電流的調(diào)節(jié)是按純阻性負(fù)載調(diào)節(jié)的。對純阻性負(fù)載而言負(fù)載電流比較接近額定工作電流值，帶載能力較高。而實際應(yīng)用中負(fù)載多由數(shù)字電路和模擬電路組成，電路特性呈感性或容性，上述辦法調(diào)節(jié)好的電流值不能完全利用。

3.1 本安電源及負(fù)載等效電路

本安電源由AC/DC降壓轉(zhuǎn)換電路、軟啟電路、單片機(jī)控制、采樣電路(A/D轉(zhuǎn)換)、雙重過壓保護(hù)電路、雙重過流保護(hù)電路構(gòu)成。其等效內(nèi)阻Ro、等效電感Lo、等效電容Co。等效電路如圖2所示。

圖2 本安電源等效電路

電源電流I由Co暫態(tài)電流Ic和負(fù)載電流Il兩部分組成。在電源上電期間電容Co瞬間產(chǎn)生較大充電電流Ic。當(dāng)I電流值達(dá)到本安保護(hù)電流值時，本安電源保護(hù)，切斷輸出。這是本安電源在上電瞬間誤保護(hù)動作原因之一。

3.2 本安電源所帶負(fù)載等效電路

本安電源所帶負(fù)載由數(shù)字電路、模擬電路、電感、電容等組成?？傻刃殡娮鑂l、分布電感Ll、分布電容Cl等效成串并電路，如圖3所示。

圖3 本安電源所帶負(fù)載等效電路

負(fù)載電流Il由Icl和Irl組成。當(dāng)上電瞬間Cl兩端電壓不能突變，Icl瞬間由大到小的變化，造成負(fù)載電流Il瞬間也由大到小的變化。當(dāng)Il電流值瞬間達(dá)到本安保護(hù)電流值時，本安電源保護(hù)，切斷輸出。

3.3 提高本安電源帶載能力方法

由上述分析得知減小本安電源的分布電容是提高本安電源帶載能力的關(guān)鍵，但是往往負(fù)載電路為本安電路不能私自隨意改動電路或器件參數(shù)。這樣就只能在本安電源電路設(shè)計上做工作。就是前面提到的軟啟電路，使得上電瞬間電源輸出電壓由小緩升到正常輸出值，避開電容暫態(tài)時電流大的過程。電壓輸出值是通過單片機(jī)輸出PWM頻率來控制開關(guān)電源輸出電壓值的。電路如圖4所示。

圖4 軟啟控制電路

上電瞬間本安電源輸出電壓低電容上暫態(tài)電流Icl隨之減小，Icl進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后本安電源輸出正常值，達(dá)到降低總電流的目的，提高了帶載能力解決了本安電源輸出誤保護(hù)問題。由于上述的改進(jìn)設(shè)計，以12V，1.3A的本安電源為例原驅(qū)動4臺催化式甲烷傳感器現(xiàn)可驅(qū)動6臺催化式甲烷傳感器，大大提高了帶載能力和工作穩(wěn)定性。

3 數(shù)控采樣保護(hù)

常規(guī)本安電源采用的保護(hù)電路多采用穩(wěn)壓管或運放電路等模擬電路來驅(qū)動三極管、場效應(yīng)管、可控硅來控制輸出保護(hù)。這樣電路需要逐個調(diào)節(jié)電位器。電路如圖5所示。

圖5 模擬電路式本安保護(hù)電路

采用單片機(jī)數(shù)字電路進(jìn)行控制，采樣值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)分析后由單片機(jī)直接驅(qū)動場效應(yīng)管進(jìn)行保護(hù)。這樣通過單片機(jī)的程序數(shù)據(jù)分析來控制保護(hù)點，解決了電位器調(diào)節(jié)問題同時又簡化了硬件電路。在保護(hù)處理上通過單片機(jī)程序可解決誤保護(hù)問題，當(dāng)瞬間大電流或干擾信號采集到后，程序進(jìn)行短暫延時濾波，延時周期過后電流依然大判斷為真故障，啟動保護(hù)。電路如圖6所示。

圖6 數(shù)控采樣及保護(hù)電路

4 輸出電壓自動調(diào)節(jié)

該本安電源的控制核心由單片機(jī)控制。本安電源AC/DC降壓轉(zhuǎn)換電路輸出直流電壓的大小由單片機(jī)輸出的PWM信號來控制，信號頻率高輸出電壓相應(yīng)就高。PWM信號頻率在20～60kHz范圍對于DC5～24V電壓輸出。這樣通過單片機(jī)程序的改變實現(xiàn)了同一硬件電路和器件參數(shù)電壓輸出可調(diào)。輸出不同電壓對應(yīng)不同電流值也通過單片機(jī)程序固化來實現(xiàn)的。電路如圖7所示。

圖7 輸出電壓自動調(diào)節(jié)電路

5 結(jié)束語

本文介紹的數(shù)控式智能本安型電源的設(shè)計在充分利用單片機(jī)數(shù)字處理器的基礎(chǔ)上，通過軟件程序的數(shù)據(jù)智能處理能夠提高帶載能力、本安參數(shù)免調(diào)試、輸出電壓自動調(diào)節(jié)的功能。在目前本安電源領(lǐng)域是一項革命性的實踐和突破。該電源的推出定會帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，在防爆行業(yè)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

［1］GB3836.4－2010，爆炸性環(huán)境第四部分:由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備［S］.

［2］陳向東.礦用本質(zhì)安全電源［J］煤炭科學(xué)技術(shù)，1997.

［3］張燕美，李維堅.本質(zhì)安全電路設(shè)計［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1992.