房緒鵬， 于志學(xué)， 秦明， 閆鵬, 趙珂

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 山東 青島 266510)

用于本質(zhì)安全電源的新型截流型保護(hù)電路

房緒鵬， 于志學(xué)， 秦明， 閆鵬, 趙珂

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 山東 青島 266510)

針對(duì)傳統(tǒng)截流型保護(hù)電路截流值小、抗負(fù)載沖擊能力差、過流故障解除后需增加恢復(fù)電路或手動(dòng)電路等問題，設(shè)計(jì)了一種用于本質(zhì)安全電源的新型截流型保護(hù)電路。該電路采用雙重并聯(lián)控制結(jié)構(gòu)，提高了電路可靠性；在負(fù)載過流時(shí)能夠迅速截流，故障解除后可快速投入，且投入點(diǎn)可調(diào)節(jié)；具有微功耗電路，降低了輕載或空載時(shí)的電源損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路能夠在過流故障解除后自動(dòng)恢復(fù)，負(fù)載效應(yīng)低，帶載能力較強(qiáng)。

本質(zhì)安全電源； 過流保護(hù)； 截流型保護(hù)； 自動(dòng)恢復(fù)

0 引言

本質(zhì)安全電源工作在煤礦井下及其他含有爆炸性氣體的環(huán)境之中，其安全性能取決于保護(hù)電路的性能[1]。限流型保護(hù)和截流型保護(hù)是本質(zhì)安全電源的基本過流保護(hù)電路形式。限流型保護(hù)電路在進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)后，調(diào)整管的功耗高，其負(fù)載電流較大，導(dǎo)致電源功耗高；截流型保護(hù)電路因電路功耗低、效率高，受到越來越廣泛的應(yīng)用[2-3]。但傳統(tǒng)的截流型保護(hù)電路截流值太小，抗負(fù)載沖擊能力差，過流故障解除后，需增加另外的恢復(fù)電路或手動(dòng)電路[4]。基于該情況，本文設(shè)計(jì)了一款帶有自動(dòng)恢復(fù)功能、帶載能力強(qiáng)、截流值大的新型截流型保護(hù)電路。

1 新型截流型保護(hù)電路工作原理

新型截流型保護(hù)電路是輸出電阻變化的電路。當(dāng)負(fù)載變大或短路后，負(fù)載電流大于設(shè)定的截止電流A，檢測電路通過取樣電阻將負(fù)載電流轉(zhuǎn)換成電壓，通過電壓比較器比較，反饋到控制端，使開關(guān)管關(guān)斷，負(fù)載被迅速截流，輸出電壓接近0[2]。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷后，檢測電路檢測到負(fù)載沒有過流(即負(fù)載電流小于設(shè)定的關(guān)斷恢復(fù)電流B)，迅速啟動(dòng)電路，使電路恢復(fù)正常，保證正常輸出。圖1為新型截流型保護(hù)電路工作原理，其中A點(diǎn)為截止點(diǎn)，B點(diǎn)為關(guān)斷恢復(fù)點(diǎn),C點(diǎn)為空載時(shí)負(fù)載端電壓。

圖1 新型截流型保護(hù)電路工作原理

2 新型截流型保護(hù)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)GB 3836.4—2010有關(guān)規(guī)定，ib等級(jí)的本質(zhì)安全電源必須有雙重化保護(hù)[5]。新型截流型保護(hù)電路采用雙重化模塊分別控制2個(gè)并聯(lián)的 MOSFET開關(guān)管，由啟動(dòng)部分、截流部分、自動(dòng)恢復(fù)部分及微功耗部分構(gòu)成。電路參數(shù)：輸出額定電壓約為12 V，額定電流為1.3 A，截止關(guān)斷電流為1.5 A，關(guān)斷后當(dāng)負(fù)載電流小于1.2 A時(shí)重新投入。

新型截流型保護(hù)電路采用的雙重化并聯(lián)控制結(jié)構(gòu)是完全對(duì)稱的，當(dāng)其中一個(gè)控制回路不能工作時(shí)，另一個(gè)控制回路仍能保持獨(dú)立正常工作，大大提高了電路的可靠性。限于篇幅，本文只分析其中1路，如圖2所示，其中電壓比較器U11，U12采用LM311，三極管T1，T2采用2N5551，開關(guān)管VT1采用IRF3710S Power MOSFET(導(dǎo)通電阻為0.02 Ω)；穩(wěn)壓管DW11，DW12的穩(wěn)定電壓分別為10，5.1 V，R111為阻值為0.1 Ω的檢測電阻，R112阻值為10 kΩ， R113阻值為600 Ω，RL為負(fù)載。

2.1 啟動(dòng)部分

電路啟動(dòng)前VT1不導(dǎo)通，A點(diǎn)電位較高，T2導(dǎo)通，T1不導(dǎo)通，當(dāng)U11同相輸入端電壓大于反相輸入端電壓時(shí)，輸出高電平，VD1導(dǎo)通，U12輸出高電平驅(qū)動(dòng)VT1導(dǎo)通，使負(fù)載端輸出。VT1導(dǎo)通后，A點(diǎn)電位迅速降低，T2不導(dǎo)通，T1導(dǎo)通，U11輸出的高電平被拉低，VD1不導(dǎo)通，使啟動(dòng)電路與后面的電路斷開，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)功能。

圖2 新型截流型保護(hù)電路結(jié)構(gòu)(不包含微功耗部分)

2.2 截流部分

當(dāng)負(fù)載電流超過截止電流1.5 A時(shí)，調(diào)節(jié)RT12，使U12反相輸入端電壓恰好高于同相輸入端電壓，VT1關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)迅速截流。其中RT12可以調(diào)節(jié)截止點(diǎn)。

設(shè)U12同相輸入端電壓為U12+，則RT12阻值可由式(1)、式(2)得到。

(1)

(2)

式(1)中RL取截流1.5 A時(shí)負(fù)載阻值。

2.3 自動(dòng)恢復(fù)部分

VT1過流關(guān)斷后，當(dāng)負(fù)載電流恢復(fù)至正常值1.2 A時(shí)，U11同相輸入端電壓大于反相輸入端電壓，啟動(dòng)部分再次啟動(dòng)，負(fù)載正常輸出。調(diào)節(jié)RT11阻值可改變過流故障解除后電路自動(dòng)恢復(fù)正常的門檻電流。為了避免反復(fù)投切引起震蕩，在U11后面加入1個(gè)1 μF電容C11。

設(shè)U11同相輸入端電壓為U11+，則RT11阻值可由式(3)、式(4)得到。

(3)

(4)

式(3)中RL取重新投入電流1.2 A時(shí)負(fù)載阻值。

2.4 微功耗部分

負(fù)載開路時(shí)，整個(gè)電路仍能形成電流回路，因此新型截流型保護(hù)電路會(huì)有部分損耗。為了彌補(bǔ)該缺陷，在電路中加入了微功耗部分，如圖3所示[6]。電壓比較器U3采用LM399，VT3為P溝道開關(guān)管IRF7404 MOSFET(導(dǎo)通電阻為0.04 Ω)，R304阻值為1 kΩ。當(dāng)負(fù)載開路時(shí)，A點(diǎn)電壓降低，使U3同相輸入端電壓大于反相輸入端電壓，U3輸出高電平，VT3關(guān)斷，此時(shí)整個(gè)電路只有U3和IRF7404關(guān)斷時(shí)的漏電流耗能，功耗很低；接上負(fù)載后，U3反相輸入端電壓升高，大于同相輸入端電壓，U3輸出低電平，VT3導(dǎo)通，電源側(cè)向負(fù)載側(cè)供電。VT3導(dǎo)通內(nèi)阻僅為0.04 Ω，不影響后面的過流保護(hù)電路。

圖3 微功耗部分電路

設(shè)U3同相輸入端電壓為U3+，U3+取值范圍為

(5)

(6)

式中Rds為VT1導(dǎo)通阻抗。

R301，R302分壓使U3同相輸入端電壓U3+在式(5)、式(6)范圍內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)微功耗功能。

用Multisim仿真軟件仿真，負(fù)載開路時(shí)電源側(cè)電流在沒有微功耗部分時(shí)為42 mA，加入微功耗部分之后為6 mA，功耗只有原來的1/7。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)采用LH25—10B12模塊模擬新型截流型保護(hù)電路的電源部分，該模塊可實(shí)現(xiàn)AC85～264 V輸入、DC12 V輸出[7]；采用大功率直流變阻器模擬負(fù)載。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示?？煽闯霎?dāng)負(fù)載的阻值由大變小，負(fù)載電流逐漸變大。當(dāng)負(fù)載阻值為7.9 Ω時(shí)，達(dá)到截止電流1.50 A。過流關(guān)斷后，當(dāng)

負(fù)載阻值大于9.9 Ω、負(fù)載電流小于1.21 A時(shí)重新開啟。負(fù)載效應(yīng)僅為1.3%，電源能夠輸出穩(wěn)定電壓，帶載能力較強(qiáng)。

圖4 新型截流型保護(hù)電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

新型截流型保護(hù)電路具有過流關(guān)斷、自恢復(fù)功能，且電路功耗低、截止電流大、截流速度快(0.1 μs級(jí))、投入點(diǎn)可調(diào)節(jié)。該電路不含電感元件，只有1個(gè)1 μF電容，在正常和故障狀態(tài)下，火花放電能量小于爆炸性危險(xiǎn)氣體的最小點(diǎn)燃能量，滿足GB 3836.4—2010 ib等級(jí)對(duì)本質(zhì)安全電源的要求[8]。

[1] 張旭，張紅娟，靳保全，等.礦用本安輸出直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)[J].煤礦安全，2015，46(8)：80-83.

[2] 王冰純，田小超，賈茜.截流及限流保護(hù)電路在本安電源中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2015，34(10)：245-247.

[3] 李云勝.電源的截止型過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010，8(1)：1-3.

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[7] 司博端，房緒鵬.多輸入礦用本質(zhì)安全型電源的設(shè)計(jì)[J].電子質(zhì)量，2013(4)：1-7.

[8] GB 3836.4—2010爆炸性環(huán)境 第四部分 由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備[S].

A novel chopping current protection circuit for intrinsically safe power supply

FANG Xupeng, YU Zhixue, QIN Ming, YAN Peng， ZHAO Ke

(College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)

For problems that traditional chopping current protection circuit had small cut-off current value and poor anti load impact ability, and needed additional recovery circuit or manual circuit after over-current fault, a novel chopping current protection circuit for intrinsically safe power supply was designed. The circuit adopts double parallel control structure, so as to improve reliability. The circuit can chop circuit rapidly under condition of load over flowing, and put into operation fast after fault with adjusted input point. Meanwhile, the circuit has low power consumption part, so as to reduce power loss under condition of light load or no-load. The experimental results show that the circuit can recover automatically after over-current fault with low load effect and strong load capacity.

intrinsically safe power supply; over-current protection; chopping current protection; automatic recovery

2016-05-22；

2016-10-14；責(zé)任編輯：李明。

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2009FM017)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20090461254)；山東科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014BK023)。

房緒鵬(1971-)，男，山東汶上人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電氣傳動(dòng)，E-mail：xpfang69@163.com。

1671-251X(2016)12-0056-03

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.12.012

TD60

A

時(shí)間：2016-12-01 10:38

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161201.1038.012.html

房緒鵬，于志學(xué)，秦明，等.用于本質(zhì)安全電源的新型截流型保護(hù)電路[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(12)：56-58.