Multisim輔助的乳化液泵站智能控制系統本安電源雙重保護電路設計

張霜玉

（天地科技股份有限公司，中煤科工集團國際工程有限公司，北京 100013）

0 引言

乳化液泵站是井工煤礦綜合機械化開采工作面支護設備必不可少的動力源，隨著綜采工作面自動化程度的提高，乳化液泵站采用智能系統控制也逐漸應用推廣[1]。在研發乳化液泵站智能控制系統的過程中，電源設計是其中重要的一環。該電源不僅要能夠滿足系統內部各功能單元的供電需求，還要滿足國家標準GB3836.4-2010 的規定。國家標準GB3836.4-2010 規定了煤礦井下環境使用的設備必須符合本質安全型I類設備的要求[2]，即通過采用穩壓、過壓、過流等保護電路，保證電源不因熱效應、短路或者過大的電火花而引起煤礦井下氣體環境爆炸（本安電源）。

Multisim 是美國國家儀器（NI）有限公司推出的在Windows系統下運行的電路板級模擬/數字電路仿真軟件，具有豐富的仿真分析能力。因此，使用Multisim軟件輔助本次本安電源電路的設計。

1 本安電源電路設計的思路及要求

總體思路：首先，獲取乳化液泵站智能控制系統中控制器、傳感器及其他相關外圍設備[3]的工作電壓及工作電流信息，據此提出設計目標要求，即確定本安電源額定輸入輸出電壓和電流；其次，合理布局電路功能結構，通過理論計算確定電路各組成部分使用的具體電器元件；再用軟件對電路的輸出參數和特性進行仿真，根據分析結果調整電路設計，并根據具體需要決定是否采用多重過壓過流保護；最終，直到再次仿真得到滿意的性能結果，初步完成本安電源電路設計。

設計目標及要求：為與礦井供電電壓對接并方便地面檢修或實驗室測試，設計電源輸入電壓為660 VAC與220 VAC。結合乳化液泵站智能控制系統工作電壓參數，設計輸出電壓為12 VDC，最大輸出電流為800 mA。對于Ⅰ類設備，按1.5倍安全系數設計，即最小點燃電流應為電路限定最大輸出電流的1.5 倍[2]。GB3836.4-2010提供了電阻性電路在電源電壓為12 V時對應的最小點燃電流，大于3 000 mA[2]。因此，限流電路理論上限定最大輸出電流為2 000 mA。為獲得優于國家標準要求性能的電源，設計過流保護目標動作電流小于1 000 mA，過壓保護目標動作電壓小于13 V。

2 本安電源電路設計

為達到前節所述目標參數，本安電源應設計由以下幾個部分連接組成：第一，將220 V 和660 V 交流電轉換為24 V 的變壓器；第二，將交流電變為直流電的整流橋；第三，保證電壓穩定的兩級穩壓電路；第四，為保證電路安全運行、達到井下防爆要求的過壓、過流保護電路。另外，還應避免過壓或過流保護電路出現故障后，整個電源出現打電火花、自燃等不可控故障。為此，設計了雙重過壓保護和過流保護電路，并且要求每一路保護電路均能獨自產生保護作用，即當其中一路過壓或過流保護電路失效后，令一路依然能夠起到保護作用，且要求其保護效果基本等同于兩組保護電路同時工作時的保護效果。

該乳化液泵站智能控制系統電源電路輸入的220 V或660 V交流電壓，經變壓器變壓后再經整流橋得到24 V 直流電壓，作為穩壓電路輸入電壓，即UIN=24 V。電路輸出電壓12 V由穩壓電路設定，在滿足系統功率要求的前提下，設計過壓過流動作保護值盡量接近電源額定輸出值，以此提高電路的安全性。即當電壓超過13 V或電流超過1 000 mA時，過壓或過流保護電路起作用，保證輸出電壓或電流不超過該值。

下面著重介紹一下兩級穩壓電路和過壓過流保護電路的設計。

2.1 穩壓電路

第一、二級穩壓電路均采用芯片LM317。LM317是NI 公司生產的三端可調正穩壓器集成電路。其電氣特性為：輸入電壓范圍寬，最高輸入電壓為40 V，輸出可調電壓范圍1.3 V～37 V，輸入輸出壓差大于3 V。

為保證第一、二級穩壓電路LM317輸入輸出壓差均大于3 V，可得第一級穩壓電路輸出電壓須不小于15 V且不大于21 V，即

圖1 LM317 典型應用電路

LM317 典型應用電路如圖2，其中過流保護檢測電路部分采用電阻分壓，根據LM317輸出電壓計算公式[4]

選擇R1=240 Ω，計算得2 640 Ω≤R2≤3 792 Ω，選用R2=5 kΩ 精度為5%的電位器，調節獲得R2阻值為3 250 Ω，因此實際可獲得的輸出電壓為UO1=18.2 V，符合要求。

第二級穩壓電路設計計算過程與第一級同理。該部分輸入電壓為17.1 V，輸出電壓為12 V。

2.2 過壓保護電路

圖2 第一級過壓保護電路

過壓保護電路如圖2。電壓檢測部分由PNP型晶體管2N3906、18V穩壓二極管IN4746 及分壓限流電阻構成，由穩壓二極管特性可知，當輸出電壓達到設計上限時，穩壓二極管兩端存在18 V分壓，電阻R16將產生1 V 分壓，即U分1=UO1-U穩=1 V，此時要求晶體管2N3906導通，即晶體管達到飽和狀態。

集電極電流：

為便于計算，取R17=19 kΩ，得IC2=1 mA；

集電極飽和時的基極電流：

式（3）中取2N3906、2N2904的放大系數[4]βˉ=100;

又

對于鍺管（PNP），UBE=-0.3 V，代入式（4）后得：R15+R16=70 kΩ，取R15=10 kΩ，R16=60.4 kΩ；當Q2導通時，電阻R17 分壓接近UO1，即U分2≈19 V，當Q4 飽和時，R14≈=24 kΩ；Q4 飽和后阻抗近似為0，由公式（1）得：，此時輸出電壓也接近0 V，從而起到過壓保護作用。

第二級過壓保護電路采用與第一級相同的電路結構和工作原理。

2.3 過流保護電路

圖3 第一級過流保護

過流保護電路采用電阻分壓方式檢測回路電流，其工作原理如下：

如果主回路因負載短路或者負載阻抗小于一定值而出現電流增大的情況，會使串接在回路中的檢測電阻分壓增大，從而使晶體管基極-發射極之間的壓降增大。由于晶體三極管具有電流放大特性，IC=βˉIB，IC隨之顯著增大，電阻R2的分壓Ui1也因此增大。由比較運算放大器的特性可知，當Ui1大于穩壓二極管的分壓Ui2時，比較運算放大器輸出高電平，P 溝道場效應管Q1截止，電源不再對負載輸出電壓；當R2的分壓Ui1小于穩壓二極管的分壓Ui2時，比較運算放大器輸出低電平，P 溝道場效應管Q1 導通，電源正常供電。根據以上原理，設計過流保護電路如圖3。

由于過流保護電路采用三極管放大電路對主回路電流變化進行檢測，因此對各元器件參數要求比較嚴格。但由于制造工藝的分散性，即使同一型號的晶體管，放大系數βˉ值也會有很大差別，對于2N3906的放大系數，若先求得基極電流IB，再由IC=βˉIB求得IC，則選擇不同的βˉ會最大會導致10 倍的計算結果的偏差，嚴重影響計算結果。因此，可先通過圖4所示三極管放大電路測出主回路電流I=800 mA 和I=1 000 mA時，R2兩端的壓降，即比較運算放大器同向輸入電壓Ui1，并據此設計比較運算放大器反向輸入端的參考電壓。在實際應用中，可以通過調節R5值來改變R5的分壓大小，以適應三極管2N3906的不同βˉ值。

圖4 過流檢測電路輸出電壓測定電路

從圖4（a）、（b）的測試結果可以得出，當主回路電流為795 mA 時，Ui1=354 mV；當主回路電流為1 014 mA 時，Ui1=9.35 V；因此理論上可以選擇穩壓值在354 mV～9.35 V之間的任意穩壓二極管。

第二級過流保護電路采用與第一級相同的電路結構和工作原理。

3 電路仿真及改進

3.1 過壓保護電路的仿真

使用Multisim 軟件對過壓保護電路仿真，在軟件中按第2節計算結果設定各電路元件參數。測得過壓保護動作發生后，輸出電壓被穩定在18.5V，達到設計要求。

3.2 過流保護電路的仿真

在過流保護電路的仿真過程中，電路供電時會出現Ui1瞬間增大，如圖5（a）所示，瞬時電壓已超過穩定輸出電壓的10 倍。若瞬時電壓超過過流保護目標動作值，則會錯誤地引起過流保護電路產生保護動作。

圖5 濾波電容對電路啟動電壓的影響

為減小此干擾，采用了與R2并聯一個22 nF 的濾波電容的方法。圖5（b）為接入濾波電容后的供電電壓變化曲線。可見供電電壓最大值已基本與穩定輸出電壓一致了。

4 結語

本文介紹了乳化液泵站智能控制系統電源的設計過程，在Multisim軟件的輔助下，按照國家標準對本質安全電路的要求完成了其穩壓電路和過壓、過流保護電路的設計。其中為使保護電路不因自身故障而出現整個電源的不可控故障，特別設計了雙重過壓、過流保護電路。最后使用Multisim 軟件對電源電路輸出電壓、電流效果進行仿真后發現供電電壓會出現瞬間增大現象，根據該現象對電路進行了局部修改，修改后供電電壓得到了明顯改善，輸出了符合乳化液泵站智能控制系統中控制器和各傳感器工作要求的直流電壓。