矿用本安电源保护电路的优化设计

周亚夫 许辰雨

(北京工业职业技术学院,北京市石景山区,100042)

矿用本安电源保护电路的优化设计

周亚夫 许辰雨

(北京工业职业技术学院,北京市石景山区,100042)

矿用本安电源是煤矿井下供电设备中的重要组成部分,矿用本安电源不仅包括主电路、保护电路,同时还包括备用电源以及防爆外壳,其中保护电路也是其核心部分。通过在矿用本安电源保护电路设计中加入MAX4080SASA的电流检测芯片和LM339比较器设计的新型保护电路,针对本安电源中的保护电路进行优化设计,以期进一步提高本安电源的质量和安全性。

本安电源 保护电路 优化设计

随着社会的发展,人们对安全生产日益重视,本质安全型(以下简称“本安”)电路在煤矿井下的使用也逐渐增多,而作为电气化装置的供电核心,电源成为本安电气设备中最为关键的设备。所以,矿用本质安全型电源的质量以及技术水平也越来越受到人们的重视,确保其在正常工作或故障状态下,产生的热效应及电火花聚集的能量都不足以点燃周围环境中爆炸性气体,从而保证整个矿井的安全生产。

1 矿用本安电源的基本结构分析

由于煤矿井下环境的特殊性,本安电源的基本结构主要有整流滤波电路、充电电路以及变压器降压电路、电压调节电路、电源转换电路以及多重限能电路等组成,矿用本安电源基本电路结构图如图1所示。

图1 矿用本安电源基本电路结构图

在矿用本安电源中,电源本质安全性能主要是依靠多重化输出限能实现电路保护的,所以保护电路是设计的重点。多重化输出限能保护电路在电网供电网络或者负载电路中发生故障的情况下,能够有效地通过对自身电路中的电压以及电流进行保护,进而防止电路中产生超出安全范围的电火花。由于在煤矿井下的本安电源中,整个电路主要是放置在标准要求较高的防爆外壳中,所以只需要保证输出满足本安要求就能够满足矿用电源电路的要求,因此矿用本安电源的关键就是设计一个满足本质安全要求的保护电路。

2 矿用本安电源保护电路的设计方案分析

2.1 矿用本安电源保护电路设计的基本原则

在矿用本安电源电路设计中,应严格按照以下3点进行设计:

(1)矿用本安电路设计时必须与其他独立的本安电路以及非本安电路隔离;

(2)确保矿用本安电路中所有元件的热效应所聚集的能量不足以点燃矿井规定条件下的爆炸性气体混合物;

(3)在本安电路设计中,必须严格按照电气设备规定的等级进行评定,抑制电火花的产生。

仅根据上述3项原则并不完全能够达到煤矿井下电路的安全要求,所以在电路设计中,还可以通过在原有电路的基础上通过采用一些其他的器件,进一步提高矿用本安电路设计的安全性和应用的可靠性。

2.2 矿用本安电源保护电路设计方案

矿用本安电源保护电路的设计主要是在传统的矿用本安电源保护电路的基础上,提出了一种基于MAX4080SASA的电流检测芯片和LM339比较器的新型矿用本安电源保护电路。矿用本安电源保护电路如图2所示。

图2 矿用本安电源保护电路图

在此电路设计中,主要采用两片TL431(德州仪器公司推出的一款热稳性能良好的三端可调分流基准源)的U1和U2对电路提供电源,其中U2主要是电路系统中2.5 V的电压比较基准源,而U1是为整个电路提供10 V电源,在具体使用的过程中主要是通过在电源的输入端Vcc上连接一个阻值限流电阻,使得U1中的电流控制在20 m A左右。同时在矿用本安电源保护电路设计中,主要采用50×10－6kΩ的检测电阻和MAX4080SASA芯片对电路进行检测,其中电流检测芯片可以为电路提供高达60倍的放大倍数,直接输出电压信号,假如当电路中通过1 A的电流时,则对地输出的电压则为3.0 V。另外,在电路设计中,电压检测信号主要有外部电阻进行分压后从SIN端输入,然后再采用核心比较器LM339将比较的结果对三极管实现驱动,最终在V2端将保护信号输出。需要注意的是,本电路在实际运行中,还应该将低导通电阻的P沟道场效应接入,这样才能实现保护功能。

3 新型矿用本安电源保护电路的保护原理

当新型矿用本安电源的保护电路后级负载发生过电流现象时,将会导致U4A翻转,输出低电平,然后再由二极管将三极管V2的基极电压降低,将保护输出信号VOUT值增高,达到保护的功能。另外,在此次设计的新型矿用本安型电源保护电路中,还能够将三极管V1饱和导通,从而使电压电源Vcc直接加载到电容上,达到瞬间充电功能。比较器引脚11中的电压为6.2 V,当引脚10中的电压高于引脚11时,强制比较器U4D将会转变输出低电平,并通过二极管D3使V2的基极电压降低,最终实现保护功能。

在此新型的矿用本安电源保护电路中,如果电路中的电流为1 A时,那么电路中的电流检测芯片的总输出电压将为3 V,同时本安电源保护电路中外接的电阻可以分压2.5 V,并且在电路中,电阻R14和R15的作用主要是为了将器件的差异进行抵消,另外在本电路中,MOS场效应管的控制主要是由模块引脚7实现的,并且MOS场效应管的导通电阻是8×10－6kΩ,基本相当于没有导通压降。因此,当电路在1 A电流下,插入两级保护的压降也不会超过0.12 V,在矿用本安电源保护电路设计中采用此模块进行设计,不仅能够有效地将本安电源的负载效应控制在1%以下,并且还能够有效应用在高精度采样的本安设备中。

4 结论

综上所述,矿用本安电源保护电路作为本安电源电路中的核心部位,其设计的可行性及有效性直接关系到整个电路的安全性和可靠性,通过在矿用本安电源保护电路设计中加入MAX4080SASA的电流检测芯片和LM339比较器设计的新型的保护电路,虽然成本有所提高,但是此保护在煤矿井下特殊环境中应用,其保护精度将会进一步提高,最终实现煤矿生产的安全性和稳定性。

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(责任编辑 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

周亚夫(1974－),男,河北唐山人,硕士、讲师,现任职于北京工业职业技术学院,主要从事电气控制方面的教学和研究工作。