一种新型矿用本安电源保护电路的设计.pdf

第 3 9 卷 第 7期 2 0 1 3年 7月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo1 ． 3 9 NO ． 7 J u 1 ．2 0 1 3 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 3 0 7 0 1 0 1 0 3 DO I 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X． 2 0 1 3 ． 0 7 ． 0 2 9 周雪峰． 一种新型矿用本安电源保护电路的设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 7 1 0 1 1 0 3 ． 一 种新型矿用本安电源保护电路的设计 周雪峰 天地 常州 自动化股份有 限公司 ， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘 要 在 分 析 传 统 矿 用 本 安 电 源 保 护 电 路 优 缺 点 的 基 础 上 ， 提 出 了 一 种 采 用 L M3 3 9比 较 器 和 MAX4 0 8 0 S AS A 电流 检测 芯 片的新 型矿 用本安 电 源保护 电路 设计 方案 ， 并详 细 分析 了该 设 计 方案 的 原理 和 特 点 ， 为矿 用本 安 电源的 设计提 供 了 一种 高质 量 的解 决方 案 。 关键 词 本安 电源 ；保 护 电路 ；过 流保 护 ；过 压保 护 中图分类号 T D6 1 1 文献标志码 B 网络出版时间 2 0 1 3 0 7 0 2 1 4 4 8 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www ． c n k i ． n e t ／ k e ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 3 0 7 0 2 ． 1 4 4 8 ． 0 2 9 ． h t ml De s i g n o f a ne w t y pe o f pr o t e c t i o n c i r c u i t o f mi ne us e d i nt r i n s i c s a f e t y p o we r s up p l y ZHOU Xu e f e ng Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n C o． ，Lt d． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a Abs t r a c t Th e p a pe r put f o r wa r d a d e s i gn s c he me of a ne w t yp e of pr o t e c t i on c i r c ui t o f mi ne us e d i n t r i n s i c s a f e t y p o we r s u p p l y wi t h L M 3 3 9 c o mp a r a t o r a n d M AX4 0 8 0 S AS A c u r r e n t d e t e c t i o n c h i p b a s e d o n t he a n a l ys i s of a dv a n t a g e s a nd di s a d va n t a g e s o f t r a d i t i o na l p r o t e c t i o n c i r c u i t o f mi ne u s e d i n t r i ns i c s a f e t y po we r s up pl y， a nd a n a l y z e d p r i n c i pl e an d c h a r a c t e r i s t i c s o f t he de s i g n s c h e m e ， whi c h p r ov i de d a hi g h q u a l i t y s o l u t i o n f o r d e s i g n o f mi n e u s e d i n t r i n s i c s a f e t y p o we r s u p p l y ． Ke y wo r d s i nt r i ns i c s a f e t y po we r s up pl y； p r ot e c t i o n c i r c u i t ； o ve r c u r r e nt p r ot e c t i o n； o v e r v o l t a g e pr o t e c t i o n 0 引言 矿用本安电源即无论在正常工作状态还是规定 的故障状态下， 其输 出以及 本安 电路部分产生的火 花能量 、 电弧和热量都不足以点燃周 围环境中的爆 炸性混合气体。本安电源是煤矿本安系统 中不可缺 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 4 - 1 1 。 基金项 目 天地 常州 自动化股份有限公 司研发项 目 1 1 S Y 0 0 5 。 作者简介 周雪峰 1 9 7 7 一 ， 男 ， 江苏姜堰人 ， 工程师 ， 主要从事煤矿电气控制及 自动化产品的研究与推广工作 ， E - m a i l z h o u x u e f e n g 7 7 1 2 6 ． c o m。 矿水文长观孔数据 的实时采集和发送 ， 能够将数据 信息以短信的方式发送至地面 中心站， 为预防矿井 水害提供了可靠的分析依据 。目前该无线遥测分站 已在淮北矿业集团公 司朱仙庄煤矿应用。应用结果 表明 ， 该无线遥测分站能及 时提供各水文长观孔的 数据信息 ， 有效降低 了工作人员的 日常维护量 ， 满足 了煤矿高效、 安全的需要 。 参考文献 E 1 3 陈 国先． P I C单 片机原 理与 接 口技术 E M- 1 ． 北京 电子 工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 3 戴永成 ， 申洁 ， 胡力平 ． 基 于 T C 3 5 i 和 C 8 0 5 1 F 0 2 0的远 程 数据 采集系统I- J ] ． 北华航天工业 学院学报 ， 2 0 0 9 ， 1 9 4 1 0 1 3 ． 1- 3 3 周 艳丽 ， 魏宗寿． 利用 T C 3 5 i 和 P C机实现短 消息 的收 发[ J - I ． 现代电子技术 ， 2 0 0 7 ， 3 0 1 5 1 8 8 1 9 0 ． [ 4 ] 徐 乐年 ， 韩慧 ， 刘 明辉 ， 等． 基 于 M B US总线 的智 能气 压传感 器的设计[ J ] ． 电子技术 ， 2 0 0 6 ， 3 3 1 4 3 4 5 ． I- 5 ] 马忠梅 ， 籍顺心 ， 张凯 ， 等． 单片机的 C语 言运用程序设 计 [ M] ． 北京 北 京航 空航 天大学出版社 ， 2 0 0 7 ． 1 O 2 工矿 自动化 2 0 1 3年 第 3 9卷 少的部分， 其质量与可靠性直接影响后级负载设备 的稳定性、 可靠性与准确性 ， 甚至关系到整个矿井的 生产安全_ 1 ] 。矿用本安设 备 由于体积小 、 重量轻 、 安装使用维护方便 而被广泛用于煤矿井下 ， 本安电 源的质 量 和技术 发展水 平也 因此越 来越 得到 矿用设 备制造商的重视。本安电源实际上也是 由普通电源 接入带限压 、 限流功能双重保护电路形成的[ 3 ] ， 其本 安性能指标完全依赖保护电路， 因此 ， 本安电源的核 心是本安电源保护电路的设计。 1 传 统本 安 电源 保护 电路 目前 的本 安电源保 护电路大多采用截止型保 护。相对限流型保护而言 ， 这种保护方式 可获得更 大的输 出功率和更优的本安性能 ， 但 由于大多采用 了无放 大环 节 的低端 电流 检测 ， 该 方式 有 以下缺 点 ① 一般取样电阻不能太大 ， 电流分辨率低 ， 而 比较 器有 1 0 mV 左 右 的误 差 ， 导 致 保 护 电流 精 度 不 高 ， 必须以“ 地噪声” 换取高精度_ 4 ； ② 地线并非理想导 体， 在地回路中插入检测电路可能会导致 系统 中不 同位 置 的地 电压 不 同 ， 在某 些 系统 中是不允 许 的 ， 差 分取样可解决该问题 ， 但会增加保护模块 的设计成 本和复杂度 ； ③ 在地 回路 中插入电阻就意味着负载 VS 1 VS 2 I SET SI N VoUT VC C GND “ 地” 将随着 电流 的变化 而 变 化 ， 会 导 致 系统 共 模 误 差_ 5 ] ， 以至 于干扰难 以消除 ， 这 在 高精度 采样 和负 载 高速动态变化的系统中是不允许 的。为解决上述问 题 ， 笔者采用高端电流检测和比较器原理 ， 提出一种 新 型矿用本 安 电源保 护 电路设计 方案 。 2 保 护 电路设 计方 案 新 型矿用 本要 电源保 护 电路 如 图 1 所 示 。电路 中采用了 U ， u 两片 TL 4 3 1 ， 其 中 u 给整个 电路 提供 1 O V 电源 由 R 和 R 。确定 电源电压 ， 使用 时在 电源输入端 V 外接一个适当阻值的限流 电 阻 ， 保证通 过 U1的电流 为 2 O mA 左 右； U 用作 2 ． 5 V 的 电 压 比 较 基 准 源 。 电 流 检 测 采 用 MAX 4 0 8 0 S AS A芯片 和 5 0 mg l的检测 电阻， 高精 度电流检测芯片直接输出电压信号 ， 提供高达 6 O 倍 的放大倍数 ， 当通过 1 A 电流时， 对地输出电压 的大 小 为 0 ． 0 5 QXI AX 6 0 3 ． O O V。 电压 检测 信号 由 外 部 电 阻 分 压 后 通 过 S I N 端 输 人 ， 采 用 L M3 3 9 U 作为核心比较器 ， 用最终 比较 的结果驱动三极 管 V ， 由 V 输 出保 护信 号 V 。 。在实 际 应用 过 程 中电路应 外 接低 导 通 电 阻 的 P沟 道 场 效 应 管 实现 保 护功 能 。 图 i新 型 矿用 本 安 电源 保 护 电路 保护原理 由图 1可知 ， 一旦后级负载过流 ， 会 成充电， 即电源电压直接加 到 比较器的引脚 1 O上， 导致 U 翻转 ， 输 出低 电平 ， 一 方 面通 过二 极 管 D 而 比较 器 引脚 1 1的 电压 为 6 ． 2 V 左 右 ， 一 旦 引 脚 将三极管 Vz的基级电压拉低 ， 保护输出信号 V。 1 O电压高于引脚 1 1的电压 ， 强制 比较器 U 。 翻转输 值则会变高 ， 实现保护 ； 另一方面 ， 使 三极管 V 饱 出低电平 ， 通过二极管 D 。将 V 基极 电压拉低 ， 实 和导通 ， 电源电压 c c 直接加到 电容 C 。 上 ， 瞬间完 现保护 。R 的作用是 防止 V 关断时有微弱的漏 电 2 0 1 3年 第 7 期 周 雪峰 一 种新 型矿 用本安 电源保 护 电路 的设 计 1 0 3 流给 C 。 充电。当出现过流并被保护后 ， 短路 电流立 即消失 ， U 恢复输出高电平 ， C 。 停止充 电； 因为 C 。 的电压不会突变， 所 以 U 。 仍然输 出低电平 ， 持续保 护， 同时 C 。 通过 D 和 R 。 开始放电 ， 此时比较器引 脚 l 1 上 的电压 为 1 ． 2 5 V左 右 ； 当 电容 G 放 电 至低 于 1 ． 2 5 V时 ， U 。 翻转输出高 电平 ， 输 出恢复正常。 若过流负载不拆除 ， 则会形成振荡， 拆除后 即可 自动 恢 复正 常 工 作 。检 测 到 过 压 后 ， 比较 器 U 翻 转 输 出低电平 ， 控制 V。 输 出高电平 ， 实现过压保护 。 3 保 护 电路 的应用 及其 特点 可以将新型矿用本安电源保护电路设计成一个 模块进行应用。以输出 1 8 V， 1 A 的本安 电源保护 电路为例， 其典型应用如图 2所示 ， 其 中电阻 R ， R 以及 R ， R 用于 对输 入 电压 进行 分 压 及 过压 检 测 。 模块的比较基准 电压为 2 ． 5 V， 因此 可计算 出过压 保 护 阈值 为 2 ． 5 V 1 1 5 ． 4 k l 2 ／ 2 ． 4 k L 1 一1 8 ． 5 4 V I 菱 。R 3 I J 1 5 R 8 『 l I u 。 『 』 R9 广 I I ．l B sH H ’ 390fl 1I2 3 7 U 5l0 Q _ 一 一 ∞ ∞ ∞ ∞ l I3 9 0 Q 1 l2 3 _ - 8 VCC VOUT U 一一t 4 7 ∞ ∞ ∞ ∞ L V C C V O U T 5 Z 0 6 5 6 9 kl - JB A I Ik o ll l I 0 T 、 T T a 个 l Z 0 I BAM K R7 e R14 l l0kn I l00kn 图 2 新型矿用本安 电源保护 电路典 型应用 模块的电源电压为 1 0 V， 由引脚 8输 入， 而输 入 电压 为 1 8 V， 因此 ， 需 要 在引脚 8处 外接 1个 3 9 0 Q 左右的电阻， 为模块提供 2 0 mA左右的电源。 引脚 5设置保护 电流 ， 内部已串联 2 k l 2的电阻 ， 比 较基准仍然为 2 ． 5 V， 引脚 5外接 电阻上 的分压即 为比较器的输入 。当电流为 1 A时 ， 电流检测芯片 的总输 出电压为 3 V， 外接 1 0 k Q电阻正好可 以分 压 2 ． 5 V。电阻 R ， R 。 用于微调 电流保护大小， 阻 值不固定 ， 主要是为 了抵消器件差异 。模 块引脚 7 的输出用于控制 M0S场效应 管 B S O0 8 0 P 0 3 S H。 该场效应管的导通电阻只有 8 ml 2 ， 基本没有导通压 降 ， 即使在通过 1 A 电流的情况下 ， 插入两级保护的 压降也不超过 0 ． 1 2 V， 因此 ， 采用本模块设计 的本 安 电源 可以将本安 电源的负 载效应控制在 1 ％以 下 ， 同时也不 会 引入 地噪 声 ， 可用 于高 精度 采样 的本 安设备 ， 这是传统本安电源无法做到的。 与传统本安 电源保护电路相 比， 新 型矿用本安 电源保护电路的优点 ① 采用 电流高端检测 ， 克服 了传统 电路采用低端检测方式存在的缺陷； ② 电流 保护精度优于传统方案 1个数量级以上； ③ 具备优 良的负 载效应 ； ④ 不会 引 入 共 模 噪 声 ， 可 省 略 电源 输 出端的共模抑制电感 ； ⑤ 电路简洁， 使用简单， 不 需 要复 杂 的调试 过程 。 4结 语 详细 了分 析新 型矿用本安 电源保护 电路 的原 理 ， 结合实际应用情况可知 ， 该电路的保护速度与传 统方案基本相当， 虽然 电路成本增加 ， 但大幅提升了 电流保护精度等性能， 为进一步提高本安电源的质 量 ， 适应更加广泛的高精度本安设备创造了条件 。 参考 文献 [ 1 ] 刘 晖． 隔爆兼 本 安直 流 稳压 开关 电源 的研 究 E D] ． 西 安 西安科技大学 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 兴 自中， 杨宝祥． 本安 电路 设计 的基 本原则 和方法[ J ] ． 爆 炸性 环境 电气防爆技术 ， 1 9 9 6 4 8 - 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