总线式顶板离层监测系统中本安电源的设计

摘要：结合晋煤集团煤矿巷道顶板监测系统开发项目中本安电源设计遇到的问题，介绍了KJ132总线式顶板离层监测系统中电源的总体设计思路，对三端稳压器的典型应用电路进行了阐述。

关键词：三端稳压器 电源 应用

0 引言

单片机应用系统的防爆型式主要以本质安全型为主，防爆单片机应用系统应是低电压、小电流和小功率系统。技术中心机电室的煤矿巷道顶板监测项目中，所设计的KJ132总线式顶板离层监测系统采用先进的数据采集和A/D转换技术，因此对电源的要求比较高。项目中需要设计三路本安电源输出，其中的二路12V本安输出电源供KGE33位移传感器使用，一路5V本安输出电源供KLY6本质安全通信中继器使用。这种电源可以使用干电池，但是干电池使用寿命短，长时间工作性能不稳定，需要定期维修更换，不适应井下工作环境。因此我们设计了用变流电源经过变换而成的直流电源。

1 总体设计思路

电源组成方框图示意图：电网电压——电源变压器——整流电路——滤波电路——一级稳压电路和限流电路——二级稳压电路和限流电路——输出到负载。其中各部分功能和作用如下：

1.1 由于煤矿的井下环境，对220V电源用的很少，一般采用127V交流电照明，127V交流电好取，故选取127/12V电源变压器。

1.2 整流电路：利用具有单导向电性的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流为单方向的脉动电压，但这种单向脉动电压包含很大的脉动成分，距离理想的直流电压还差的很远。

1.3 滤波电路：尽可能地将单向脉致力电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压，但是当电网电压或负载电流发生变化时，滤波器输出的直流电压的幅值也将随之变化，在要求比较高的电子设备中，这种情况是不符合要求的。

1.4 稳压电路和限流电路：使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。同时要满足本质安全型对电流的要求。

2 电源设计的具体实施

在设计本质安全型电路时。首先应设计好本质安全型电源。为了使电源输出满足本质安全防爆要求。一般电源应具有双重或多重化的限压(或稳压)，限流(或恒流)措施。并尽量减少输出端的储能元件和容量(如：输出滤波消振电容的电容量)。当输出端发生短路等故障时，应具有保护功能，并当故障排除后，应能自动恢复正常。为此我们主要作了如下工作：

2.1 对317系列的应用 由于采用317系列可接成性能良好的可调式恒流源，所以我们利用317系列组成限流电路，将电流限定在规定的数值下。LM317L和LM317M的最大负载电流分别为0.1A、0.5A，不能满足工作要求。最后我们选择了LM317，LM317的性能如下：LM317为三端可调式正集成稳压器，输出电压通过外接两个电阻可在1.2—35V范围内调节，最大负载电流1.5A，电路内部设置过流保护、芯片过热保护及调整管安全区保护功能等。

LM3I7的主要电参数：

电压调整率：0.01%

电流调整率：1%

基准电压：1.25V

调整端电流：50uA

调整端电流变化：0.2uA

纹波抑制比：80dB 最小60dB

最大输入电压：40v

最小输入电压：3v

由LM317组成的基本电路如图1：

在LM317工作中，其输出端out和调节端ADJ之间形成的1.25v的基准电压VREF，加在电阻R1上，产生恒定的输出电流I1=VREF/R1，如果将负载放在基本电路中R2的位置，负载就可得到一个恒定的电流，调节R1可改变输出的电流值，恒流源输出I₀=(VREF/R1)+IADJ（VREF为LM317的基准电压）。固定电阻R1就可得到固定式恒流源。

在我们的设计中，我们固定R1，取R1=3Ω。

则输出电流I₀=(VREF/R1)+IADJ=1.25/3+50uA≈0.416A.

此时消耗在R1上的功率为0.416×1.25≈0.52W。取安全系数为1.5，则有0.52×1.5=0.78W。实际电路中我们取R1为3Ω/2W。完全能够满足上述要求。输出电流0.416A远远小于5V电压点燃甲烷空气混合物的最小点燃电流。因此我们设计的电源符合安全火花输出。

2.2 对7800系列和7900系列的应用 经LM317限流后，输出电流不随负载的变化而变化，但输出电压不稳定，为此我们在限流电路后加了7800和7900系列三端固定输出稳压器，来提高电源电压的稳定性。其中78L00系列的最大输出电流为0.1A，不符合我们的输出电流的设计要求，78M00系列最大输出电流为0.5A，虽然能满足要求，但安全空间太小，因此我们选用最大输出电流为1.5A的7800系列。7900系列输出固定的负电压，电压和电流品种与7800系列大致相同。这里我们选用了7805和7905两种三端固定输出稳压器。由于是±5V安全火花输出电源，我们采用了正、负电压同时输出的电路将7800系列和7900系列稳压器组合连接成图2所示的电路。

2.3 电源设计时功率、电平及抗干扰等问题的考虑 系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项极其重要的工作，它对整个单片机系统是否正常运行起着至关重要的作用。电源设计时应该同时考虑功率、电平及抗干扰等问题，电源功率必须能满足全系统的需要。单片机系统的绝大多数器件以脉冲方式工作，对较小的系统，功率消耗的脉冲特性更为突出，而较大的系统由于器件功耗的分散性，使得系统整体的功率消耗比较平稳。因此，单片机系统的电源必须有足够的耐冲击性，这就要求电源设计时留有充分的余量，一般大系统按实际功率消耗的1.5倍—2倍设计，小系统按实际功率消耗的2倍—3倍设计。我们按实际功率消耗的2倍设计。

KDW51隔爆兼本质安全型电源已经通过了煤炭科学总院重庆分院的本安检验和常州自动化所的性能检验。取得了煤矿矿用产品安全标识证书和防爆合格证。可以投入市场，创造更好的经济效益。

参考文献：

[1]关德新.单片机外围器件实用手册——电源器件分册.2002.北京航空航天大学出版社.

[2]周富发.常见的三端固定集成稳压电路.1997.人民邮电出版社.

作者简介：朱鹏跃，男，1973年生，机电工程师，1998年毕业于太原理工大学自动化与信息工程系应用电子技术专业。现在晋城煤业集团晋圣公司从事煤矿井下机电管理工作。