矿用隔爆兼本安型ia电源电路设计与检测①

左官芳

摘 要：矿用隔爆兼本安型电源是矿用电气产品的重要电源供给，其设计和检测都是矿用电气产品的设计和检测重点。该文通过三重化的电子电路设计后串限流电阻的方式进行保护，并通过瞬态能量测试方法检验其输出参数的本安符合性，试验结果显示，设计可行，检验结果在允许范围内。

关键词：本质安全电路 ia等级 隔爆兼本安电源 瞬态能量测试

中图分类号：TD52 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0055-02

随着GB3836.1-2010、GB3836.2-2010、GB3836.4-2010等系列标准的发布实施，以及近年来根据安标中心的管理要求，煤矿井下安全避险“六大系统”[1]的推广普及，ia等级的本安产品得到了推广应用，越来越多的厂家开始关注并设计ia等级的本安产品。电源是电子产品的重要组成部分，也是功率较大的部分，因而电子产品主要从电源方面入手实现防爆。因此ia等级的本安输出型电源成为了近年来本安防爆电子产品研究的技术热点，但到目前为止，针对ia等级的电源设计方法和检测方法的研究在文献中鲜为报道。

该文旨在提出一种新型ia电源的设计方法，并根据此设计给出设计要点、分析评价和检测方法，给设计者提供一个参考方向。

1 本安电气设备防爆原理和ia等级设备定义

本质安全电气设备防爆基本原理是：通过限制电气设备电路的各种参数或采取保护措施来限制电路的火花放电能量和热能，使其在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃周围环境的爆炸性混合物，从而实现电气防爆[2]。

ia等级本质安全型电气设备是指电路在正常工作、1个或2个计数故障时，都不能点燃爆炸性混合物的电气设备。

计数故障的定义是：符合本标准结构要求的电气设备的部件上出现的故障。非计数故障的定义是：不符合本标准结构要求的电气设备的部件上出现的故障[3]。另外，在设计ia电源时可以使用电子限流来进行功率限制，但是需使用限流电阻来限制瞬态电流。下面介绍一种使用限流电阻限流的ia电源。

2 ia电源设计

2.1 需求分析

由于煤矿井下电气设备功耗较大，矿用电源输出供电参数一般较大，该文以输入额定电压AC127V，最高输出电压Uo=16.0V，最高输出电流Io=1.0A为例，能基本满足矿用本安电气产品的供电需求。本文保护电路采用三重电子快速截流型保护方式，并采用可靠限流电阻进行瞬态能量限制，达到ia型电源的设计要求。

2.2 电路设计

2.2.1 主要电路介绍

如图1所示电路由电源变压器、整流滤波电路、直流稳压电路、三重限压限流电子保护电路和限流电阻组成。由于各个厂家的设计思路和实现方法不同，变压器需要符合GB3836.4-2010的规定，并通过变压器的最大负载电流型式试验和例行耐压试验；稳压电路可采用LM317等三端稳压器来实现，也可采用隔离DC/DC来实现；SF1、SF2、SF3为三重稳压限流电路；R为限流电阻，有效抑制瞬态电流的产生。整流滤波以及限压电路较为容易实现，但是限流电路则是设计的重点和难点，该文重在介绍过流保护电路的设计。

2.3 过流保护电路

鉴于ia电源等级的划分和本安电路的设计要求，ia电源应有三重的限压限流保护措施，下面的过流保护电路为一重，将其三重化串联入电路中即可。

该限流电路采用比较器芯片TLE2142构成一个电流可调节的精密保护电路，调节可调电阻W1设定输出电流保护值，当电路出现过流现象，场效应管Q1截止，切断输出；反之就解除保护。该电路保护电流可调节，保护特性理想，提高了可靠性，限制了瞬态能量的输出。

3 限流电阻的使用和分析评价

在本安电路的设计中，有一个很重要的概念，即额定值概念：与本安性能有关的元器件，在正常工作及故障状态下，其工作电压工作电流及功率不得大于其额定值的三分之二。下面以实例来介绍一下电阻额定值要求的方法。

由前所述，假设不存在非技术故障，则ia等级的产品检验需设置两重技术故障，针对图2所示的电路，将SF1、SF2、SF3三重保护中的任意两重去掉都依然还有一重保护在起作用。保护电路的输出参数为：Uo=16.0V，Io=1.0A，R=5Ω/10W。由于电子限流存在暂态过程，该暂态主要为电流暂态，实际输出暂态值一般都大于Io数倍，但电压一般不会超过Uo。所以此处限流电阻的大小可按Uo输出时的可靠限流电阻选择。查表A.1得，16.0V时考虑1.5倍安全系数，最大电流可允许值为3.3A，所以限流大足最小为16.0/3.3=4.85Ω，5Ω大于4.85Ω，符合阻值额定值要求。当输出Io=1.0A时，5Ω的限流电阻所允许的功率不小于1.5×1.02×5=7.5W，10W大于7.5W，符合功率额定值要求。

4 检测方法研究

4.1 测试方法

电子保护限流电路具有急剧短路的特点，该类电路不宜使用火花点燃试验来检验电路的本安符合性，而应进行GB3836.4-2010第10.1.5.3条规定的瞬态能量测试。试验测试电路如图3所示。

4.2 输出电流波形示例

通过图4、图5、图6可以看出，电流峰值明显降低，使用限流电阻保护的瞬态效应明显优于无限流电阻保护电路的瞬态效，该ia电源既保证了输出功率，又有效限制了瞬态效应。

5 结语

该文通过一种ia电源的设计，给出了有效的分析步骤和可行的检测方法，为设计者进行电路设计提供了清晰的思路，为检测检验通常进行火花点燃试验的现状提出了更为简单有效的检测方法和依据。

参考文献

[1] 安监总煤装[2010]146号.建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知.

[2] 孙纪平.矿井安全监控系统[C].中国煤炭工业劳动保护科学技术安全监控专业委员会，中国矿业大学（北京）信息工程研究所，2004.

[3] GB3836.4-2010，爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备.2010.