一種礦用本安型電源的介紹

引言

煤礦井下環(huán)境特殊，存在有瓦斯、粉塵、一氧化碳等易燃易爆物質(zhì)，因此礦井下的各類通信、監(jiān)控、儀表和自動(dòng)化等系統(tǒng)設(shè)備的供電電源必須滿足防爆要求，本質(zhì)安全型是防爆的最佳形式，所謂本質(zhì)安全電路是指在正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下，產(chǎn)生的任何電火花或效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。

本文所介紹的電源，是針對(duì)煤礦井下復(fù)雜的環(huán)境要求，設(shè)計(jì)了的具有兩級(jí)保護(hù)的礦用本質(zhì)安全型直流電源，該電源在正常工作和故障狀態(tài)下，其輸出的最大電流和電壓均滿足本安要求。在正常工作時(shí)，電源能穩(wěn)定的提供12VDC/1.2A的驅(qū)動(dòng)能力，可滿足礦井下大多數(shù)低壓電氣設(shè)備的供電需求。

電源總體設(shè)計(jì)

該本質(zhì)安全型電源有降壓、整流、濾波，直流穩(wěn)壓及保護(hù)電路組成，如圖1所示。

各單元電路介紹

降壓、整流、濾波電路

降壓電路主要由電源變壓器構(gòu)成，它的作用是將交流高電壓降低到所需的電壓值，由于礦井下常采用AC127V或AC36V為低壓設(shè)備供電，故本電源采用AC127V/AC36V雙輸入，AC20V輸出的工頻變壓器實(shí)現(xiàn)降壓。

整流電路的作用是將降壓電路輸出的交流電轉(zhuǎn)化成具有單向脈動(dòng)性的直流電，本電源采用4個(gè)1N4007二極管組成橋式整流器來(lái)實(shí)現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)換。

濾波電路的主要作用是將整流后輸出的具有單向脈動(dòng)性的直流電進(jìn)行平滑處理，以獲得直流電壓，濾波后的直流電可以直接給電子電路供電，濾波電路采用一個(gè)220μf的鋁電解電容和一個(gè)103的瓷片電容并聯(lián)進(jìn)行濾波處理。

穩(wěn)壓穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓部分采用三端可調(diào)集成芯片LM317，LM317輸出電壓范圍為1.25V~37V時(shí)可提供超過(guò)1.5A的電流，輸出端與調(diào)整端固定1.25V的基準(zhǔn)電壓，通過(guò)改變LM317的外部電阻即可方便的調(diào)整穩(wěn)壓電壓值。如下圖3所示：輸出電壓，由于控制在小于100，所以常忽略不計(jì)，交流電經(jīng)過(guò)整流、濾波變直流后，輸入到三端可調(diào)穩(wěn)壓模塊LM317，輸出得到穩(wěn)定的電壓，為后面的過(guò)流、過(guò)壓電路模塊提供工作電壓，同時(shí)得到比較電壓，為過(guò)壓、過(guò)流控制提供基準(zhǔn)比較電壓。

在本文介紹的電源電路中，采用2級(jí)LM317雙重穩(wěn)壓保護(hù)，正常情況下U2的輸入和輸出之間的電壓差大于0.7V，三極管Q1導(dǎo)通通，R3和R5并聯(lián)，合理設(shè)置電阻R3、R4、R5、R7、R8的值，使其滿足

這樣，當(dāng)U1或U2出現(xiàn)故障短路（只要有一個(gè)LM317還能正常工作）時(shí)，電源仍可以繼續(xù)輸出穩(wěn)定的12V電壓，實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)穩(wěn)壓保護(hù)。

過(guò)流保護(hù)電路介紹

通過(guò)電阻分壓取樣，采用高靈敏電壓比較器LM393組成兩級(jí)過(guò)流保護(hù)電路，如圖5所示，為第二級(jí)過(guò)流保護(hù)電路，當(dāng)本安輸出端短路或輸出電流大于預(yù)定值時(shí)，一方面通過(guò)R9、R10串聯(lián)分壓，使得U3的正向輸入端輸入電壓降低，另一方面電流經(jīng)過(guò)R11形成回路產(chǎn)生壓降，使得U3的反向輸入端的輸入電壓降低，使得電壓比較器U3輸出低電平，本電路中U3的輸出端連接在U2的調(diào)整管腳（第一腳）處，當(dāng)本安輸出過(guò)流時(shí)，U3輸出低電平，使電阻R8對(duì)地短路，根據(jù)LM317輸出電壓特性可知：穩(wěn)壓芯片U2的輸出電壓為1.25V，故此時(shí)電路形成保護(hù)。

同理，使用同樣的過(guò)流保護(hù)電路對(duì)穩(wěn)壓芯片U1進(jìn)行保護(hù)，使電路形成兩級(jí)過(guò)流保護(hù)。同時(shí)在本安輸出端使用兩個(gè)相同的12V穩(wěn)壓管D1、D2雙重穩(wěn)壓保護(hù)，防止輸出端電壓意外增大。

測(cè)試

任意抽取一塊電源進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得輸出電壓11.9V，過(guò)流保護(hù)動(dòng)作值1.2A，短路電流穩(wěn)定在23mA，達(dá)到了GB3836.4-2010關(guān)于本安的要求。接上負(fù)載使電源連續(xù)工作72小時(shí)后再測(cè)試，電源參數(shù)仍滿足要求，在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以通過(guò)調(diào)整分壓電阻R9、R10的大小來(lái)改變電源的過(guò)流保護(hù)動(dòng)作值的大小。該電源取證的本安參數(shù)為：UO=12V、IO=1200 、CO=3μf、 LO=0.1mH ，短路穩(wěn)定電流值≤40mA。

結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種礦用本質(zhì)安全型電源，該電源已取得煤礦安標(biāo)證，廣泛應(yīng)用于煤礦井下的各類設(shè)備的供電，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的使用，電源性能可靠、工作穩(wěn)定。事實(shí)上該電源不僅可以應(yīng)用于煤礦井下，還可以用于石油、化工等含有易燃易爆氣體的環(huán)境中。