礦用本安電源保護電路的優(yōu)化設計

周亞夫 許辰雨

(北京工業(yè)職業(yè)技術學院,北京市石景山區(qū),100042)

礦用本安電源保護電路的優(yōu)化設計

周亞夫 許辰雨

(北京工業(yè)職業(yè)技術學院,北京市石景山區(qū),100042)

礦用本安電源是煤礦井下供電設備中的重要組成部分,礦用本安電源不僅包括主電路、保護電路,同時還包括備用電源以及防爆外殼,其中保護電路也是其核心部分。通過在礦用本安電源保護電路設計中加入MAX4080SASA的電流檢測芯片和LM339比較器設計的新型保護電路,針對本安電源中的保護電路進行優(yōu)化設計,以期進一步提高本安電源的質量和安全性。

本安電源 保護電路 優(yōu)化設計

隨著社會的發(fā)展,人們對安全生產(chǎn)日益重視,本質安全型(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備中最為關鍵的設備。所以,礦用本質安全型電源的質量以及技術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構分析

由于煤礦井下環(huán)境的特殊性,本安電源的基本結構主要有整流濾波電路、充電電路以及變壓器降壓電路、電壓調節(jié)電路、電源轉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構圖如圖1所示。

圖1 礦用本安電源基本電路結構圖

在礦用本安電源中,電源本質安全性能主要是依靠多重化輸出限能實現(xiàn)電路保護的,所以保護電路是設計的重點。多重化輸出限能保護電路在電網(wǎng)供電網(wǎng)絡或者負載電路中發(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行保護,進而防止電路中產(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準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鍵就是設計一個滿足本質安全要求的保護電路。

2 礦用本安電源保護電路的設計方案分析

2.1 礦用本安電源保護電路設計的基本原則

在礦用本安電源電路設計中,應嚴格按照以下3點進行設計:

(1)礦用本安電路設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)在本安電路設計中,必須嚴格按照電氣設備規(guī)定的等級進行評定,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到煤礦井下電路的安全要求,所以在電路設計中,還可以通過在原有電路的基礎上通過采用一些其他的器件,進一步提高礦用本安電路設計的安全性和應用的可靠性。

2.2 礦用本安電源保護電路設計方案

礦用本安電源保護電路的設計主要是在傳統(tǒng)的礦用本安電源保護電路的基礎上,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電路。礦用本安電源保護電路如圖2所示。

圖2 礦用本安電源保護電路圖

在此電路設計中,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分流基準源)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電路設計中,主要采用50×10－6kΩ的檢測電阻和MAX4080SASA芯片對電路進行檢測,其中電流檢測芯片可以為電路提供高達60倍的放大倍數(shù),直接輸出電壓信號,假如當電路中通過1 A的電流時,則對地輸出的電壓則為3.0 V。另外,在電路設計中,電壓檢測信號主要有外部電阻進行分壓后從SIN端輸入,然后再采用核心比較器LM339將比較的結果對三極管實現(xiàn)驅動,最終在V2端將保護信號輸出。需要注意的是,本電路在實際運行中,還應該將低導通電阻的P溝道場效應接入,這樣才能實現(xiàn)保護功能。

3 新型礦用本安電源保護電路的保護原理

當新型礦用本安電源的保護電路后級負載發(fā)生過電流現(xiàn)象時,將會導致U4A翻轉,輸出低電平,然后再由二極管將三極管V2的基極電壓降低,將保護輸出信號VOUT值增高,達到保護的功能。另外,在此次設計的新型礦用本安型電源保護電路中,還能夠將三極管V1飽和導通,從而使電壓電源Vcc直接加載到電容上,達到瞬間充電功能。比較器引腳11中的電壓為6.2 V,當引腳10中的電壓高于引腳11時,強制比較器U4D將會轉變輸出低電平,并通過二極管D3使V2的基極電壓降低,最終實現(xiàn)保護功能。

在此新型的礦用本安電源保護電路中,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行抵消,另外在本電路中,MOS場效應管的控制主要是由模塊引腳7實現(xiàn)的,并且MOS場效應管的導通電阻是8×10－6kΩ,基本相當于沒有導通壓降。因此,當電路在1 A電流下,插入兩級保護的壓降也不會超過0.12 V,在礦用本安電源保護電路設計中采用此模塊進行設計,不僅能夠有效地將本安電源的負載效應控制在1%以下,并且還能夠有效應用在高精度采樣的本安設備中。

4 結論

綜上所述,礦用本安電源保護電路作為本安電源電路中的核心部位,其設計的可行性及有效性直接關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電路設計中加入MAX4080SASA的電流檢測芯片和LM339比較器設計的新型的保護電路,雖然成本有所提高,但是此保護在煤礦井下特殊環(huán)境中應用,其保護精度將會進一步提高,最終實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。

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(責任編輯 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)技術學院,主要從事電氣控制方面的教學和研究工作。