高輸出功率的本質安全型電源的製作方法

2023-06-10 12:49:56 3

專利名稱：高輸出功率的本質安全型電源的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電源裝置，特別涉及一種高輸出功率的本質安全型電源。
背景技術：
本質安全型電源是在煤礦、石油、化工等危險環境中各種各樣的本安型設備使用 的。所謂本質安全型，是防爆型式的一種，由國標GB3836. 4規範。本質安全型電路的設計， 就是把負載或規定的電路部位短路時產生的電火花的能量限制在一定範圍內。除必須符合 GB3836. 4標準要求外，還須通過國家指定的防爆檢驗檢測機構進行的本安電路火花點燃實驗。目前國內本質安全電源的最大輸出功率一般在18W左右。傳統設計技術著眼於電 路輸出功率的限制，也即將限制電路輸出電流作為電路符合本安性能的主要手段。18V本安 電源在煤礦等防爆場合使用的最為廣泛，就這一電源來說，八十年代初，在原煤炭部下屬多 個研究機構的共同努力下，設計出來的電路最高輸出電流約700mA。經過技術人員多年的不 懈努力，目前最高水平可達到1.0A，也即18W左右。這形成了目前本安電源(18V左右時) 的最大輸出功率的瓶頸，不能突破這一功率瓶頸，則無法適應設備對提高本安電源輸出容 量的要求。
發明內容本實用新型的目的是克服上述缺陷，提供一種高輸出功率的本質安全型電源，輸 出功率不小於30W，可以明顯減小故障火花能量，電路結構簡單，成本低廉。為達到上述目的，本實用新型提供的高輸出功率的本質安全型電源，包括直流變 換電路、過壓保護電路、過流保護電路和本安輸出端負載，輸入交流電源接入所述直流變換 電路，向所述本安輸出端負載接入本安電源，還包括重載慢保護電路、重載快保護電路、恆 流電路和恢復電路，其中所述重載慢保護電路包括調整管、PNP慢開關三極體、第三電阻和NPN三極體，所 述NPN三極體的發射極與所述調整管的漏極相連，所述NPN三極體的集電極與所述調整管 的柵極相連，所述NPN三極體的基極經所述第三電阻與所述PNP慢開關三極體的集電極相 連，所述PNP慢開關三極體的發射極經相互正向串聯的延時電容和二極體接至所述直流變 換電路的18. 5V輸出線，所述PNP慢開關三極體的基極接入13VZ電壓；所述恆流電路採用恆流管構成，所述恆流管的正極接於所述直流變換電路的 18. 5V輸出線，所述恆流管的負極接於所述直流變換電路的OV輸出線；所述重載快保護電路包括調整管、PNP快開關三極體、第三電阻、NPN三極體、所述 延時電容和二極體，所述PNP快開關三極體的發射極與所述PNP慢開關三極體的發射極相 連，所述PNP快開關三極體的集電極與所述PNP慢開關三極體的集電極相連，所述PNP快開 關三極體的基極接至所述延時電容與所述二極體的連接點；所述恢復電路包括PNP復位三極體，所述PNP復位三極體的集電極與所述延時電容的正極相連，所述PNP復位三極體的發射極與所述延時電容的負極相連，所述PNP復位三 極管的基極與所述PNP快開關三極體的發射極相連，同時與所述恆流電路和所述本安輸出 端負載的連接點相連。本實用新型高輸出功率的本質安全型電源，其中所述過壓保護電路包括可控矽、 穩壓管和第一電阻，所述可控矽的正極接於所述直流變換電路的18. 5V輸出線，所述可控 矽的負極接於所述直流變換電路的OV輸出線，所述穩壓管的正極接於所述直流變換電路 的18. 5V輸出線，所述穩壓管的負極接於所述可控矽的控制極，所述第一電阻接於所述可 控矽的控制極與所述直流變換電路的OV輸出線之間。本實用新型高輸出功率的本質安全型電源，其中所述過流保護電路包括取樣電 阻、比較放大電路、第二電阻和調整管，所述取樣電阻和所述調整管串聯接至所述本安輸出 端負載的迴路中，所述比較放大電路的正向輸入端接至所述取樣電阻的高電位端，所述比 較放大電路的負向輸入端接至所述取樣電阻的低電位端，所述比較放大電路的輸出端接至 所述調整管的柵極，所述第二電阻接於所述直流變換電路的18. 5V輸出線與所述調整管的 柵極之間。本實用新型高輸出功率的本質安全型電源，其中所述過壓保護電路、過流保護電 路、重載慢保護電路、重載快保護電路、恆流電路和恢復電路分別至少設有2套，另一過壓 保護電路的結構與所述過壓保護電路相同；另一過流保護電路的結構與所述過流保護電路 相同；另一重載慢保護電路的結構與所述重載慢保護電路相同；另一重載快保護電路的結 構與所述重載快保護電路相同；另一重恢復電路的結構與所述恢復電路相同。本實用新型高輸出功率的本質安全型電源，其中所述恆流管的恆流值為15mA。本實用新型高輸出功率的本質安全型電源，其中所述直流變換電路輸入電壓為 127V,輸出電壓為18. 5V，輸出電流為1. 5A。本實用新型高輸出功率的本質安全型電源的優點和積極效果在於由於設置了重 載慢保護電路、重載快保護電路、恆流電路和恢復電路，可以明顯減小故障火花能量，對短 路、碰觸等產生的火花放電或在負載重到一定程度時，電路可以快速檢測、快速保護，切斷 電路功率輸出，快速消除火花。該裝置符合GB3836. 4的要求，恆流工作，便於應用於LED照 明燈的驅動，並在非正常狀態消除後，電路可自動解除保護，恢復正常工作，提供了一種高 輸出功率的本質安全型電源，輸出功率不小於30W，電路結構簡單，成本低廉。進一步設置了過壓保護電路、過流保護電路，也減小了故障時電路輸出火花能量， 從而進一步提高本安電源的輸出容量，電路結構簡單，成本也低廉。下面將結合實施例參照附圖進行詳細說明。

圖1是本實用新型高輸出功率的本質安全型電源的電路原理圖。
具體實施方式
從根本上說，電源電路在短路時產生的電火花能量取決於兩點電路的輸出功率 和其作用的時間。所以，本質安全型電路的設計，就是在限制電路輸出功率和減小火花放電 持續時間上打開突破點。適應設備對提高本安電源輸出容量的要求，例如，使本質安全電
5源的最大輸出功率達到30W，只能著眼於限制火花能量的第二個因素，即限制火花的作用時 間。參照圖1，本實用新型高輸出功率的本質安全型電源由直流變換電路10、過壓保 護電路11、過流保護電路12、重載慢保護電路13、重載快保護電路14、恢復電路15、恆流電 路16和本安輸出端負載17組成，輸入交流電源接入直流變換電路10，本安輸出端負載17 接入本安電源。圖1中的直流變換電路10為已知技術中，直流變換電路10輸入電壓為127V，輸出 電壓為18. 5V，輸出電流為1. 5A。圖1中的恆流電路16為已知技術，採用15mA恆流管DL構成。恆流管DL的正極 接於直流變換電路10的18. 5V輸出線，恆流管DL的負極接於直流變換電路10的OV輸出 線。參照圖1，在本實用新型高輸出功率的本質安全型電源的電路原理圖中一、過壓保護電路11過壓保護電路11包括可控矽Q3、穩壓管Dl和第一電阻R8，可控矽Q3的正極接於 直流變換電路10的18. 5V輸出線，可控矽Q3的負極接於直流變換電路10的OV輸出線，穩 壓管Dl的正極接於直流變換電路10的18. 5V輸出線，穩壓管Dl的負極接於可控矽Q3的 控制極，第一電阻R8接於可控矽Q3的控制極與直流變換電路10的OV輸出線之間。另一過壓保護電路1Γ的結構形式和原理與過壓保護電路11相同，構成雙重化 過壓保護電路。二、過流保護電路12過流保護電路12包括取樣電阻R0、比較放大電路Bi、第二電阻R106和調整管 Q103，取樣電阻RlO和調整管Q103串聯接至本安輸出端負載17的迴路中，比較放大電路Bl 的正向輸入端接至取樣電阻RlO的高電位端，比較放大電路Bl的負向輸入端接至取樣電阻 RlO的低電位端，比較放大電路Bl的輸出端接至調整管Q103的柵極，第二電阻R106接於直 流變換電路10的18. 5V輸出線與調整管Q103的柵極之間。另一過流保護電路12'的結構形式和原理與過流保護電路12相同，構成雙重化 過流保護電路。三、重載慢保護電路13重載慢保護電路13包括調整管Q103、PNP慢開關三極體Q101、第三電阻R102和 NPN三極體Q104，NPN三極體Q104的發射極與調整管Q103的漏極相連，NPN三極體Q104的 集電極與調整管Q103的柵極相連，NPN三極體Q104的基極經第三電阻R102與PNP慢開關 三極體QlOl的集電極相連，PNP慢開關三極體QlOl的發射極經相互正向串聯的延時電容 ClOl和二極體DlOl接至直流變換電路10的18. 5V輸出線，PNP慢開關三極體QlOl的基極 接入13VZ電壓。另一重載慢保護電路13'的結構形式和原理與重載慢保護電路13相同，構成雙 重化重載慢保護電路。四、重載快保護電路14重載快保護電路14包括調整管Q103、PNP快開關三極體Q102、第三電阻R102、NPN 三極體Q104、延時電容ClOl和二極體D101，PNP快開關三極體Q102的發射極與PNP慢開關
6三極體QlOl的發射極相連，PNP快開關三極體Q102的集電極與PNP慢開關三極體QlOl的 集電極相連，PNP快開關三極體Q102的基極接至延時電容ClOl與二極體DlOl的連接點。另一重載快保護電路14'的結構形式和原理與重載快保護電路14相同，構成雙 重化重載快保護電路。五、恢復電路15恢復電路15包括PNP復位三極體Q105，PNP復位三極體Q105的集電極與延時電 容ClOl的正極相連，PNP復位三極體Q105的發射極與延時電容ClOl的負極相連，PNP復位 三極體Q105的基極與PNP快開關三極體Q102的發射極相連，同時與恆流電路16和本安輸 出端負載17的連接點相連。另一重恢復電路15'的結構形式和原理與恢復電路15相同，構成雙重化恢復電 路。
以下結合附圖詳細說明本實用新型高輸出功率的本質安全型電源的工作原理。一、過壓保護電路11當某種原因造成直流變換電路10輸出偏高達到18. 5V時，可控矽Q3的控制極獲 得足夠高的電壓而導通，從而切斷整個電路輸出。二、過流保護電路121.當負載電流小於1. 5A電流時，取樣電阻RO上的電壓不夠大，比較放大電路Bl 輸出高電平，調整管Q103的柵極通過R106獲得足夠的柵壓而飽和導通，負載獲電。2.當電流達到1.5A時，取樣電阻RO上獲得足夠電壓，比較放大電路Bl的輸出電 平迅速降低，拉低了調整管Q103的柵極電壓而使其進入放大狀態，抬高其漏極電位，降低 輸出電壓，從而抑制負載電流的增大。三、重載慢保護電路13當負載進一步加重時，使得調整管Q103的柵極電壓進一步降低，其漏極電位繼續 上升，進而導致PNP慢開關三極體QlOl導通，進而NPN三極體Q104導通，調整管Q103的柵 極電壓更加降低，進而加速調整管Q103漏極電位的抬高，電路進入正反饋狀態，從而使得 調整管Q103徹底截止。四、重載快保護電路14當電路正常工作時，輸出電源通過二極體DlOl對延時電容ClOl充電，充電完成後 二極體DlOl兩端電壓接近18. 5V。當出現負載突然加重或負載瞬間短路時，比較放大電路Bl首先做出反應，導致調 整管Q103漏極電位急劇上升，也即PNP快開關三極體Q102的發射極電位急劇上升。由於 延時電容ClOl沒有放電通路，PNP快開關三極體Q102的基極電位基本保持不變。當調整管 Q103漏極電位上升約0. 7V時，PNP快開關三極體Q102導通，進而NPN三極體Q104導通，調 整管Q103的柵極電壓迅速降低而進入放大狀態，當調整管Q103漏極電位上升到一定值時， PNP慢開關三極體QlOl也導通，從而加快調整管Q103截止，瞬間切斷功率輸出。五、恢復電路15當調整管Q103漏極電位在上升約0. 7V已使重載快保護動作的基礎上，再上升約 0. 3V( 二極體DlOl壓降)時，放電復位三極體Q105導通，啟動延時電容ClOl電荷被瀉放， 確保延時電容ClOl負端電壓跟蹤輸出負電位(約低0. 7V)，解除PNP快開關三極體Q102的保護狀態使其截止，為短路狀態解除後的再保護做好準備。當電路脫離短路狀態時，恆流管DL首先對延時電容ClOl充電，充電電壓達到重 載慢保護電壓動作點以下時，PNP慢開關三極體QlOl保護解除，轉為截止狀態，從而調整管 Q103的保護解除，恢復正常工作狀態。本實用新型高輸出功率的本質安全型電源，對短路、碰觸等產生的火花放電或在 負載重到一定程度時，電路可以快速檢測、快速保護，切斷電路功率輸出，快速消除火花。該 裝置符合GB3836. 4的要求，恆流工作，便於應用於LED照明燈的驅動，並在非正常狀態消除 後，電路可自動解除保護，恢復正常工作。2010年3月經上海電氣防爆檢驗站火花點燃試驗 檢驗，該站出具的檢驗報告表明，在設備輸出18.5V、1.5A時，試驗合格。在實際試驗中，輸 出電流達到1.6A甚至更高時，試驗仍然合格。上面所述的實施例僅僅是對本實用新型的優選實施方式進行描述，並非對本實 用新型的構思和範圍進行限定，在不脫離本實用新型設計方案前提下，本領域中普通工程 技術人員對本實用新型的技術方案做出的各種變型和改進，均應落入本實用新型的保護範 圍，本實用新型請求保護的技術內容，已經全部記載在權利要求書中。
權利要求一種高輸出功率的本質安全型電源，包括直流變換電路(10)、過壓保護電路(11)、過流保護電路(12)和本安輸出端負載(17)，輸入交流電源接入所述直流變換電路(10)，向所述本安輸出端負載(17)接入本安電源，其特徵在於還包括重載慢保護電路(13)、重載快保護電路(14)、恆流電路(16)和恢復電路(15)，其中所述重載慢保護電路(13)包括調整管(Q103)、PNP慢開關三極體(Q101)、第三電阻R102和NPN三極體(Q104)，所述NPN三極體(Q104)的發射極與所述調整管(Q103)的漏極相連，所述NPN三極體(Q104)的集電極與所述調整管(Q103)的柵極相連，所述NPN三極體(Q104)的基極經所述第三電阻(R102)與所述PNP慢開關三極體(Q101)的集電極相連，所述PNP慢開關三極體(Q101)的發射極經相互正向串聯的延時電容(C101)和二極體(D101)接至所述直流變換電路(10)的18.5V輸出線，所述PNP慢開關三極體(Q101)的基極接入13VZ電壓；所述恆流電路(16)採用恆流管(DL)構成，所述恆流管(DL)的正極接於所述直流變換電路(10)的18.5V輸出線，所述恆流管(DL)的負極接於所述直流變換電路(10)的0V輸出線；所述重載快保護電路(14)包括調整管(Q103)、PNP快開關三極體(Q102)、第三電阻(R102)、NPN三極體(Q104)、所述延時電容(C101)和二極體(D101)，所述PNP快開關三極體(Q102)的發射極與所述PNP慢開關三極體(Q101)的發射極相連，所述PNP快開關三極體(Q102)的集電極與所述PNP慢開關三極體(Q101)的集電極相連，所述PNP快開關三極體(Q102)的基極接至所述延時電容(C101)與所述二極體(D101)的連接點；所述恢復電路(15)包括PNP復位三極體(Q105)，所述PNP復位三極體(Q105)的集電極與所述延時電容(C101)的正極相連，所述PNP復位三極體(Q105)的發射極與所述延時電容(C101)的負極相連，所述PNP復位三極體(Q105)的基極與所述PNP快開關三極體(Q102)的發射極相連，同時與所述恆流電路(16)和所述本安輸出端負載(17)的連接點相連。
2.根據權利要求1所述的高輸出功率的本質安全型電源，其特徵在於其中所述過壓 保護電路(11)包括可控矽(Q3)、穩壓管(Dl)和第一電阻(R8)，所述可控矽(Q3)的正極接 於所述直流變換電路(10)的18. 5V輸出線，所述可控矽(Q3)的負極接於所述直流變換電 路(10)的OV輸出線，所述穩壓管(Dl)的正極接於所述直流變換電路(10)的18.5V輸出 線，所述穩壓管(Dl)的負極接於所述可控矽(Q3)的控制極，所述第一電阻(R8)接於所述 可控矽(Q3)的控制極與所述直流變換電路(10)的OV輸出線之間。
3.根據權利要求1或2所述的高輸出功率的本質安全型電源，其特徵在於其中所述 過流保護電路(12)包括取樣電阻(RO)、比較放大電路(Bi)、第二電阻(R106)和調整管 (Q103)，所述取樣電阻(RO)和所述調整管(Q103)串聯接至所述本安輸出端負載(17)的 迴路中，所述比較放大電路(Bi)的正向輸入端接至所述取樣電阻(RO)的高電位端，所述 比較放大電路(Bi)的負向輸入端接至所述取樣電阻(RO)的低電位端，所述比較放大電路 (Bi)的輸出端接至所述調整管(Q103)的柵極，所述第二電阻(R106)接於所述直流變換電 路(10)的18. 5V輸出線與所述調整管(Q103)的柵極之間。
4.根據權利要求3所述的高輸出功率的本質安全型電源，其特徵在於其中所述過壓 保護電路(11)、過流保護電路(12)、重載慢保護電路(13)、重載快保護電路(14)、恆流電路(16)和恢復電路(15)分別至少設有2套，另一過壓保護電路(11')的結構與所述過壓保 護電路(11)相同；另一過流保護電路(12')的結構與所述過流保護電路(12)相同；另 一重載慢保護電路(13')的結構與所述重載慢保護電路(13)相同；另一重載快保護電路 (14')的結構與所述重載快保護電路(14)相同；另一重恢復電路(15')的結構與所述 恢復電路(15)相同。
5.根據權利要求4所述的高輸出功率的本質安全型電源，其特徵在於其中所述恆流 管(DL)的恆流值為15mA。
6.根據權利要求5所述的高輸出功率的本質安全型電源，其特徵在於其中所述直流 變換電路(10)的輸入電壓為127V，輸出電壓為18. 5V，輸出電流為1. 5A。
專利摘要本實用新型提供的高輸出功率的本質安全型電源，包括直流變換電路和恆流電路，以及至少2套結構相同的過壓保護電路、過流保護電路、重載慢保護電路、重載快保護電路和恢復電路，輸入交流電源接入直流變換電路，向本安輸出端負載接入本安電源，其輸出電壓為18.5V，輸出電流為1.5A，輸出功率不小於30W。本實用新型高輸出功率的本質安全型電源的優點和積極效果在於對短路、碰觸等產生的火花放電或在負載重到一定程度時，電路可以快速檢測、快速保護，切斷電路功率輸出，快速消除火花。該裝置符合GB3836.4的要求，恆流工作，便於應用於LED照明燈的驅動，並在非正常狀態消除後，電路可自動解除保護，恢復正常工作，其電路結構簡單，成本低廉。
文檔編號H02M7/12GK201699599SQ201020294070
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月17日 優先權日2010年8月17日
發明者劉振翮, 張淳, 胡晶晶 申請人:淮南市長安機電設備有限公司