用于本质安全电源的新型截流型保护电路.pdf

第 4 2卷 第 1 2期 2 0 1 6年 1 2月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ． 1 2 De c ． 2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 2 0 0 5 6 0 3 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 1 2 ． 0 1 2 房绪鹏 ， 于志学 ， 秦明， 等． 用于本质安全电源的新型截流型保护电路[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 2 5 6 5 8 ． 用于本质安全 电源的新型截流型保护电路 房 绪鹏 ， 于志 学 ， 秦 明 ， 闫鹏 ， 赵珂 山东科技大学 电气与 自动化工程学院，山东 青岛 2 6 6 5 1 0 摘 要 针 对传 统截流 型保 护 电路 截 流值 小 、 抗 负载 冲 击能 力 差 、 过 流 故 障解 除后 需增加 恢 复 电路 或手 动 电路 等 问题 ， 设 计 了一种 用 于本质 安全 电 源的新 型截 流型保 护 电路 。该 电路 采 用双 重并联 控制 结构 ， 提 高了 电路可靠性； 在 负载过流时能够迅速截流， 故障解除后可快速投入 ， 且投入 点可调节； 具有微功耗 电路 ， 降低 了轻载或空载时的电源损耗 。实验结果表明， 该 电路能够在过流故障解除后 自动恢复， 负载效应低 ， 带载能 力较 强 。 关 键词 本 质安 全 电源 ； 过 流保 护 ； 截 流型 保护 ；自动恢 复 中图分 类号 T D6 0 文献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 1 2 0 1 1 0 3 8 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 1 2 0 1 ． 1 0 3 8 ． 0 1 2 ． h t ml A n o v e l c h o pp i n g c u r r e n t p r o t e c t i o n c i r c u i t f o r i n t r i ns i c a l l y s a f e p o we r s u pp l y FANG Xu p e n g ， YU Z h i x u e ， QI N M i n g， YAN P e n g ， Z HAO Ke Co l l e g e o f El e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n， S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，Qi n g d a o 2 6 6 5 1 0 ，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r p r o b l e ms t h a t t r a d i t i o n a l c h o p p i n g c u r r e n t p r o t e c t i o n c i r c u i t h a d s ma l 1 c u t o f f c u r r e n t va l ue a n d po o r a n t i 1 o a d i mpa c t a bi l i t y，a nd ne e de d a d di t i o na l r e c ov e r y c i r c u i t or ma nu a l c i r c u i t a f t e r ov e r c u r r e n t f a u l t ，a n o v e l c h o p p i n g c u r r e n t p r o t e c t i o n c i r c u i t f o r i n t r i n s i c a l l y s a f e p o we r s u p p l y wa s d e s i g n e d ． The c i r c u i t a d o pt s d ou bl e pa r a l l e l c o nt r o l s t r u c t ur e， S O a s t o i m p r o v e r e l i a bi l i t y． The c i r c u i t c a n c ho p c i r c u i t r a p i d l y u n d e r c o n d i t i o n o f l o a d o v e r f l o wi n g ，a n d p u t i n t o o p e r a t i o n f a s t a f t e r f a u l t wi t h a d j u s t e d i np ut po i nt ．M e a nwhi l e，t he c i r c u i t ha s l o w po we r c on s u m p t i o n pa r t ， S O a s t o r e du c e po we r l os s un de r c o n d i t i o n o f l i g h t l o a d o r n o l o a d．Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e c i r c u i t c a n r e c o v e r a u t o ma t i c a l l y a f t e r o ve r c u r r e nt f a ul t wi t h l o w l o a d e f f e c t a n d s t r o n g l oa d c a p a c i t y． Ke y wo r d si nt r i ns i c a l l y s a f e po we r s up pl y； o ve r c u r r e nt pr o t e c t i on； c h op pi n g c u r r e nt p r o t e c t i o n； a u t o m a t i c r e c ov e r y 0 引言 本 质安 全 电源工作 在煤 矿井 下及 其他 含有 爆 炸 性气体的环境之 中， 其安全性能取决 于保护 电路的 性 能 。限 流型保 护 和截流 型保 护是 本质 安全 电 源 的基本过流保护 电路形式 。限流型保护电路在进入 保护 状态 后 ， 调 整 管 的 功耗 高 ， 其 负 载 电流 较 大 ， 导 致电源功耗高 ； 截流型保护电路因电路功耗低、 效率 高 ， 受到越来越广泛 的应用_ 2 ] 。但传统的截流型保 护电路截流值太小 ， 抗负载冲击能力差 ， 过流故障解 除后 ， 需增加另外的恢 复电路或手动 电路[ 4 ] 。基 于 该情 况 ， 本 文设 计 了一 款带有 自动恢 复功 能 、 带 载 能 收稿 日期 2 0 1 6 0 5 2 2 ； 修 回日期 2 0 1 6 1 0 1 4 ； 责任编辑 李明。 基金项 目 山东省 自然科学基金资助项 目 Z R2 0 0 9 F M0 1 7 ； 中国博士后科学基金资助项 目 2 0 0 9 0 4 6 1 2 5 4 ； 山东科技大学研究 生教育创新 计划 资助项 目 2 0 1 4 B K0 2 3 。 作者简 介 房绪鹏 1 9 7 1 一 ， 男 ， 山东汶上人 ， 副教授 ， 博士 ， 主要研究方 向为 电力 电子与 电气传动 ， E ma i l x p f a n g 6 9 1 6 3 ． c o rn。 2 0 1 6年第 1 2期 房绪鹏等 用于本质安全电源的新型截流型保护电路 5 7 力强 、 截 流值 大 的新 型截流 型保 护 电路 。 1 新型 截流 型保 护 电路 工作原 理 新型截流型保护 电路是输 出电阻变化的 电路。 当负载 变大 或短 路 后 ， 负 载 电 流 大 于设 定 的截 止 电 流 A， 检测电路通过取样 电阻将负载电流转换成 电 压 ， 通过 电压 比较器 比较 ， 反馈 到控制端 ， 使开关管 关断， 负载被迅速截流， 输 出电压接近 0 _ l 2 ] 。当开关 管 关断 后 ， 检测 电路 检测 到负 载没 有过 流 即负 载 电 流小于设定的关 断恢 复电流 B ， 迅速启 动电路 ， 使 电路恢复正常 ， 保 证正常输 出。图 1为新型截流型 保护电路工作原理 ， 其 中 A点为截止 点， B点为关 断恢复点 ， C点为空载时负载端电压。 幽 褒 镊 U B A 负载端电流 图 1 新 型截 流型保护 电路工作原理 2 新 型截 流型 保 护 电路设计 根据 GB 3 8 3 6 ． 4 2 0 1 o有关规定 ， i b等级的本 质 安全 电源必须 有 双重 化保 护[ 5 ] 。新 型截流 型 保护 电路 采 用 双 重 化 模 块 分 别 控 制 2个 并 联 的 MOS F E T 开关管 ， 由启动 部分 、 截 流部 分 、 自动 恢 复 部分及微功耗部分构成。电路参数 输出额定 电压 约为 1 2 V， 额 定 电流 为 1 ． 3 A， 截 止关 断 电流 为 1 ． 5 A， 关 断后 当负 载 电流小 于 1 ． 2 A 时 重新 投入 。 新型截流型保护电路采用的双重化并联控制结 构是完全对称 的， 当其 中一个控制回路不能工作时， 另一个控制回路仍 能保持独立正常工作 ， 大大提高 了电路的可靠性。限于篇幅， 本文只分析其中 1 路 ， 如图 2所示 ， 其 中电压 比较器 U U 。 采用 L M3 1 1 ， 三 极 管 T 1 ， T z采 用 2 N5 5 5 1 ， 开 关 管 VT 采 用 I R F 3 7 1 0 S P o we r MOS F E T 导通 电阻 为 0 ． 0 2 Q ； 稳压 管 D W D W 。 的稳 定 电 压 分 别 为 1 0 ， 5 ． 1 V， R 1 l l 为 阻 值 为 0 ．1 Q 的检 测 电 阻， R l l 2 阻 值 为 1 0 k Q， R 阻值为 6 0 0 Q， R 为负载 。 2 ． 1 启动 部分 电路启动前 VT 不导通 ， A点 电位较高， Tz 导 通 ， T。 不导通 ， 当 U1 同相输 入端电压大于反相输 入端 电压 时 ， 输 出高 电平 ， VD 导通 ， U 输 出高 电 图 2 新 型 截 流 型 保 护 电路 结 构 不 包 含 微 功 耗 邵 分 平驱动 VT 导通 ， 使 负 载端 输 出。VT 导 通 后， A点 电位 迅速 降低 ， T 不 导 通 ， T 导通 ， U 输 出的 高电平被拉低 ， VD 不导 通， 使启动 电路 与后面 的 电路 断开 ， 实现 启 动功能 。 2 ． 2截 流部 分 当负载电流超过截止电流 1 ． 5 A时 ， 调节 R ， 使 Ul 。 反相输 人端电压恰好 高于同相输入 端电压， VT 关 断 ， 实现迅 速截 流。其 中 R ．r z 可 以调 节截 止点 。 设 Ul 。 同相输入端 电压为 U 。 ， 则 R 。 阻值可 由式 1 、 式 2 得到。 Ul 2 1 1 0 R l o 5 - RT l Z 一 U z 2 R 1 o 4 R1 o 5 RT 1 2 ⋯ 式 1 中 R 取 截流 1 ． 5 A 时 负载 阻值 。 2 ． 3 自动 恢复部 分 VT 过流 关 断后 ， 当负载 电流恢 复至 正常值 1 ． 2 A 时 ， U 同 相 输 入 端 电压 大 于 反 相 输 入 端 电 压 ， 启动部分再次启动， 负载正常输出。调节 R 阻 值可改变过流故障解除后电路 自动恢复正常的门槛 电流 。为 了避 免 反 复 投 切 引 起 震 荡 ， 在 u 后 面加 人 1 个 1 t L F电容 C 。 设 U ， 同相输入端 电压 为 U ， 则 RT 阻值 可 由式 3 、 式 4 得到 。 U1 1 1 2 R1 1 1 R1 l 3 R1 0 7 R1 1 2 ／ ／ RLR1 1 1R1 1 3 R1 0 6 R1 o 7 3 1 0 R l o 3 RT U 一 U 4 R 1 o 2 R1 o 3 RT l 1 “ 叶 。 、 式 3 中 R 取 重 新 投 入 电 流 1 ． 2 A 时 负 载 阻值 。 2 ． 4微 功耗部 分 负载 开路 时 ， 整 个 电路仍 能形 成 电流 回路 ， 因此 5 8 工矿 自动 化 2 0 1 6 年 第 4 2卷 新型截流型保护电路会有部分损耗 。为了弥补该缺 陷 ， 在 电路 中加入 了微 功耗部 分 ， 如 图 3所示 ] 。电 压 比较 器 U。采 用 L M3 9 9 ， VT。为 P 沟 道 开 关 管 I R F 7 4 0 4 MO S F E T 导通 电 阻为 0 ． 0 4 fi ， R 阻 值 为 1 k Q。当负载开路时， A点电压降低 ， 使 u。同相 输入 端 电压 大 于反 相 输 入 端 电压 ， U。 输 出高 电平 ， VT 。 关断 ， 此时整个 电路只有 U。和 I R F 7 4 0 4关断 时 的漏 电流耗 能 ， 功耗很 低 ； 接上 负载后 ， U。反相 输 入端电压升高 ， 大于同相输入端 电压 ， u。输出低 电 平 ， VT 。 导通 ， 电源侧 向负载侧供 电。VT 。导通 内 阻仅 为 0 ． 0 4 Q， 不影 响后 面的 过流保 护 电路 。 图 3 微功耗部分电路 设 U。同相输入端E g 压为 U。 ， U。 取值范围为 【，s 孝 尝 ，负 载 开 路 时 5 U 3 7 7 矗 毒 F ， 负 载 非 开 路 时 6 式 中 R 。 为 VT 导通 阻抗 。 R ， R 分 压 使 U。同 相 输 入 端 电 压 U3 十在 式 5 、 式 6 范 围 内 ， 即可 实现微 功耗 功能 。 用 Mu l t i s i m 仿真 软件仿 真 ， 负 载开路 时 电源侧 电流在没有微功耗部分时为 4 2 mA， 加入微功耗部 分之后为 6 mA， 功耗只有原来的 1 ／ 7 。 3实验及 结果 分析 实 验 采 用 L H2 5 1 O B 1 2模 块 模 拟新 型截 流 型 保护 电路 的 电源部 分 ， 该 模 块 可实 现 AC 8 5 ～ 2 6 4 V 输入 、 D C 1 2 V输 出[ 7 ； 采用大功率直流变阻器模拟 负载 。实验结果如图 4 所示 。可看 出当负载的阻值 由大 变 小 ， 负 载 电 流 逐 渐 变 大 。 当 负 载 阻 值 为 7 ． 9 Q时 ， 达 到 截 止 电 流 1 ． 5 0 A。过 流 关 断后 ， 当 负载阻值大于 9 ． 9 Q、 负载电流小于 1 ． 2 1 A时重新 开 启 。负载 效 应 仅 为 1 ． 3 ， 电源 能 够 输 出稳 定 电 压 ， 带 载能力 较强 。 4 结语 负载／ Q 图 4 新型截流型保护 电路实验结果 新 型截 流 型 保 护 电路 具 有过 流 关 断 、 自恢 复功 能 ， 且 电路功 耗低 、 截止 电流 大 、 截流 速 度快 0 ． 1扯 s 级 、 投 入 点 可 调 节 。该 电 路 不 含 电 感 元 件 ， 只 有 1个 1 F电容 ， 在 正 常 和 故 障 状 态 下 ， 火 花 放 电 能 量 小 于爆 炸 性 危 险气 体 的最 小 点 燃 能 量 ， 满 足 GB 3 8 3 6 ． 4 2 O 1 0 i b等 级 对 本 质 安 全 电 源 的 要 求 [ 8 ] 。 参考文献 [ 1 ] 张旭 ， 张红娟 ， 靳保全 ， 等． 矿用本安输 出直流 稳压 电源 设计I- J ] ． 煤矿安全 ， 2 o 1 5 ， 4 6 8 8 0 8 3 ． E z ] 王冰纯 ， 田小超 ， 贾茜． 截流及 限流保 护 电路 在本 安 电 源 中的应用 [ J ] ． 煤炭技术 ， 2 0 1 5 ， 3 4 1 O 2 4 5 2 4 7 ． [ 3 ] 李 云胜 ． 电源 的截 止型过 流保护 电路设 计 [ J ] ． 实验 科 学与技术 ， 2 0 1 0 ， 8 1 1 3 ． E 4 ] 吴银成 ， 孙志飞． 一种过流保 护电路 在高压本 安 电源中 的应用 [ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 5 ， 4 6 9 1 2 0 1 2 2 ． [ 5 ] 徐倩楠 ， 李 良光 ， 朱忠 鹏． 矿 用本 安 电源 的设 计 [ J ] ． 煤 矿 机械 ， 2 O 1 4 ， 3 5 2 1 2 9 1 3 1 ． [ 6 ] 房绪 鹏 ， 张 松梅 ． 一 种 应用 MO S F E T 的 微 功耗 电路 E J ] ． 山东电子， 2 0 0 0 4 3 1 ． [ 7 ] 司博端 ， 房 绪鹏． 多 输入 矿用 本质 安 全型 电源 的设 计 [ J ] ． 电子质量 ， 2 0 1 3 4 1 - 7 ． [ 8 ] G B 3 8 3 6 ． 4 ～2 O 1 O 爆 炸性 环境 第 四部 分 由本质 安全 型“ i ” 保护 的设备I S ] ．