礦用本安電源的設(shè)計(jì)探討

龍芃君

摘要：隨著人們對安全的重視，本質(zhì)安全型電路在礦井中的使用越來越廣泛。本質(zhì)安全型電路是指在正常工作和規(guī)定的故障條件下，產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。在礦井等存在易燃、易爆氣體的工作環(huán)境中，需要電氣設(shè)備考慮到電路中的電壓、電流等情況，防止由于過流或過壓產(chǎn)生的火花點(diǎn)燃井下氣體引發(fā)事故。作為電氣化裝置的供電核心，電源成為本安電氣設(shè)備的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此礦用本質(zhì)安全型電源的技術(shù)水平和質(zhì)量要求越來越受到人們的重視。本安電源是指在正常工作和故障狀態(tài)下，其輸出的最高電壓、最大電流均具有本安性能的電源。本文主要就礦用本安電源的設(shè)計(jì)展開了探討。

關(guān)鍵詞：礦用；本安電源；設(shè)計(jì)

1、本安電源整體組成

本安電源整體組成原理框圖如圖1所示，變壓器一次設(shè)有多個(gè)輸入抽頭，接線時(shí)只需根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際電壓等級選用對應(yīng)等級的抽頭和公共零線接入即可。不同電壓等級的交流輸入經(jīng)熔斷器進(jìn)隔離變壓器相應(yīng)的輸入端，不管隔離變壓器的一次選用那種電壓等級，其二次輸出都為33V。將變壓器的輸出連接到AC/DC轉(zhuǎn)換器。AC/DC輸出的直流電壓，一路經(jīng)充電電路對備用蓄電池充電，貯存電能；另一路經(jīng)DC/DC穩(wěn)壓環(huán)節(jié)得到穩(wěn)定的電源輸出。為滿足本質(zhì)安全性能要求，采用截止式雙重過流過壓保護(hù)。當(dāng)交流電停電時(shí)，蓄電池中貯存的電能通過穩(wěn)壓環(huán)節(jié)放電，保持穩(wěn)定的電源輸出，實(shí)現(xiàn)不間斷供電功能。電池開關(guān)的作用是本設(shè)備在儲(chǔ)存期間手動(dòng)斷開電池，防止放置太舊電池電量過放。

2、礦用本安電源的設(shè)計(jì)

2.1隔離穩(wěn)壓電路

隔離穩(wěn)壓電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)電源輸出的穩(wěn)壓和非本安電源輸入端和本安電源輸出端的隔離。穩(wěn)壓能夠使寬范圍的電壓輸入轉(zhuǎn)化為恒定的電壓輸出。隔離使電源的輸入與后續(xù)電路不共地，使電路避免由電涌和接地回路的過壓、過流造成損害。隔離穩(wěn)壓電路的核心是URA2412ZP-6WR3模塊，其電壓輸入范圍在9～36V，輸出功率為6W，采用模塊化的電路可大大精簡電路，增加電路的可操作性。模塊的其他特點(diǎn)如下：①隔離電壓1500VDC；②工作溫度：-40～+85℃；③輸入欠壓，輸出過壓、短路保護(hù)、過流保護(hù)；裸機(jī)滿足CISPR22/EN55022CLASSA；；⑤國際標(biāo)準(zhǔn)引腳方式；⑥通過UL60950、EN60950和IEC60950認(rèn)證。

2.2 DC/DC電路

DC/DC穩(wěn)壓電路采用LM2676-ADJ，它是一種開關(guān)型集成穩(wěn)壓器，可提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)能力達(dá)3A，可逐級下降的開關(guān)穩(wěn)壓器的所有功能，具有良好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，輸入電壓8～40V，輸出電壓1.2～37V可調(diào)。Vin為其輸入端，接前級AC/DC提供的直流27V電壓，Vout為其輸出端，向后級本安電路提供穩(wěn)定的直流電壓。由LM2676-ADJ技術(shù)手冊可知，Vout=VREF[1+（R2+RP1）/R1）]，VREF=1.23V。這里R1選1kΩ電阻，R2選擇13kΩ電阻，RP1選用2kΩ的電位器，可以通過調(diào)整RP1來保證后級本安電路輸出18V的本安電壓（由于器件的管壓降、檢測電阻壓降等因素的影響，Vout點(diǎn)的電壓一般高于18V）。

2.3過流保護(hù)電路

本過流保護(hù)電路主要由電阻RS、高端電流檢測芯片V1（ZXCT1009）和電阻ROUT組成。其工作原理：通過V1檢測RS上的電流，一般ROUT上的電流正比于0.01倍RS上的電壓，然后通過電阻ROUT轉(zhuǎn)換為電壓VOUT輸出到反饋誤差放大器TL431上，D1保證在沒有過流的情況下使過流保護(hù)電路和反饋電路隔離。設(shè)定當(dāng)RS上的電流超過1.25A時(shí)，即VOUT超過3V時(shí)，D1導(dǎo)通，將變化的電壓通過TL431和PC817A送往UC3842進(jìn)行控制，使輸出電流穩(wěn)定在1.25A左右。本電源設(shè)計(jì)的額定輸出電流值為1A，設(shè)定電路啟動(dòng)過電流保護(hù)時(shí)的電流值為大于1.25A，RS=0.1Ω，電流I流過電阻RS時(shí)，則在V1的兩端將產(chǎn)生一個(gè)VSE=IRS的電壓，同時(shí)V1的另一個(gè)管腳會(huì)輸出正比于電壓VSE的電流信號，該電流通過ROUT轉(zhuǎn)換成電壓信號VOUT，根據(jù)VOUT=ROUT（VSE×0.01），即VOUT=ROUT（0.01IRS）。當(dāng)VOUT=3V時(shí)，可得出ROUT=2.4kΩ。

2.4過壓保護(hù)電路

過壓保護(hù)電路由R8、R9、R10、R11及D3、D4、D5、M2構(gòu)成，因?yàn)門L431的存在，M2的同向輸入端電壓U8為2.5V。設(shè)置R8和R9，使得輸入電壓為12V時(shí)，U9小于2.5V。當(dāng)U1≤12V時(shí)，對于M2，U8≥U9，M2輸出高電平，U6>U3，D4、D5不導(dǎo)通，電路正常工作。當(dāng)U1>12V時(shí)，U9>2.5V，即U9>U8，M2輸出低電平，此時(shí)D4、D5處于導(dǎo)通狀態(tài)。由于二極管的導(dǎo)通時(shí)有壓降，使得U3

2.5重要參數(shù)的計(jì)算和設(shè)計(jì)

本電路中為了符合本安電源的要求，基本使用小電容和小電感。所以變壓器中儲(chǔ)存的能量成為本電源設(shè)計(jì)能否符合本安要求的主要因素。設(shè)計(jì)由變壓器輸出的電壓設(shè)為12.8V。電源的工作頻率設(shè)為500kHz，最小直流輸入電壓Vin（min）=133V。由此可知最大原邊電感量Lpri、輸入的峰值電流Ipk和磁芯中存儲(chǔ)的能量Estored的計(jì)算公式分別為：Ipk=5.5Pout/Vin（min）；Lpri=Vin（min）αmax/Ipkf。式中αmax代表最大占空比（通常αmax=0.5）。Estored=LpriIpk2/2。綜合可得Ipk≈0.53A，Lpri≈0.251mH，考慮安全系數(shù)后的值為1.5×0.251=0.376mH<<1mH，還可算出磁芯存儲(chǔ)的能量Estored≈35.25μJ<<260μJ，因此本設(shè)計(jì)符合本安要求。

3、結(jié)束語

綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一種本安型交直流穩(wěn)壓電源，采用了穩(wěn)壓隔離電路和過壓、過流電路。經(jīng)測試，本設(shè)計(jì)具有可靠性和穩(wěn)定；設(shè)計(jì)簡單易實(shí)現(xiàn)、方便可攜，并且可以通過對隔離穩(wěn)壓模塊的選擇和過壓、過流電路的參數(shù)的調(diào)整，應(yīng)用于其他本安電源設(shè)計(jì)。

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（作者單位：中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司）