電容短路火花能量釋放器的製作方法
2023-12-01 12:16:11
專利名稱：電容短路火花能量釋放器的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種電子產品，它主要用於煤礦、石化等危險性環境，確切地說是一種電源設備或其他電子產品中的電容短路火花能量釋放器。
背景技術：
電容屬於儲能元件，其儲存的能量與其電壓的平方呈正比。如果將具有一定電壓的電容元件短路，會在極短的時間內產生較大的火花能量。而如果具有電容元件的電路或系統，如直流電源等應用於存在易燃、易爆氣體的危險型環境，當電容上儲存的能量大到一定程度時，因短路產生的火花能量將會引爆危險性氣體或它們的混合物。因此，為了電路或系統和危險型環境的安全，有關標準對電容的大小及其所對應的電壓作出了嚴格的規定，以使電容因故出現短路時，產生的火花能量足夠的小。電源是煤礦、石化等危險性環境監測、監控系統電子設備的重要組成部分，且是電子設備中功率較大的部件，其輸出端通常包含有容量較大的濾波電容，電源的輸出電壓也較高(如18V、24V等)，因此，一旦出現短路等故障，其產生的電火花必然會引爆易燃、易爆氣體，給人民的生命安全和國家財產損失帶來嚴重隱患，顯然是不能滿足本質安全要求的。因此，為了使含有容量較大電容的電源或電子設備安全地應用於危險型環境中，就必須串接一些能量限制電路或採取一些能量限制或釋放手段，將故障火花能量限制在足夠小的範圍內。目前解決問題的辦法是①在電容的輸出端串接限流電阻來限制短路火花放電的能量。缺點是由於增加了電阻，電源的效率降低，不利於實現大功率。②在輸出端增加一個穩壓限流環節，限制電容器的短路電流。缺點是降低轉換效率，並且必須採取多重化措施以提高可靠性。③採取增頻法提高頻率，減小電源的輸出濾波電容，從而減小輸出短路放電火花能量，但是電路結構和控制方法比較複雜。另外，目前採用的電源為了防爆，在電源體外設有隔爆外殼，它不但增加了設備重量，而且散熱性差，同時也加大了設備成本。據統計，目前中國的各類型煤礦約有2.6萬個，其中大、中型煤礦3000多個，關鍵問題是監測、監控系統不健全，存在很多隱患，所以設備改進迫在眉睫。
發明內容
本發明的目的是為了解決現有技術中存在的問題，提供一種電容短路火花能量釋放器，將其並接在濾波電容的兩端。當正常工作時，能量釋放電路斷開，只有很小的漏電流流過該電路，損耗甚微；而當輸出出現短路故障時，能量釋放電路開通，通態電阻接近於零，電容的能量被很快釋放掉，使故障短路火花能量急劇減小，從而將故障火花能量限制在足夠小的範圍內。
本發明是以下列技術方案來實現該電容短路火花能量釋放器由上電屏蔽電路、短路檢測電路和能量釋放電路三部分依次連接組成。也就是說上電屏蔽電路連接到短路檢測電路，短路檢測電路連接到能量釋放電路，其中電容能量釋放電路是由驅動電路和能量釋放電路構成，或者是由能量釋放電路自身構成。所述的上電屏蔽電路是由電容C1、電阻R1串接後與二極體D1的陰極連接而成。所述的短路檢測電路主要由取樣電阻R2和R3、在電阻R2與電阻R3的連接點接一基準電壓源U1構成；或者由取樣電阻R2和R3，穩壓二極體ZD1，在電阻R2與電阻R3連接點接一運放或比較器電路U1構成；或者由取樣電阻R2和R3，穩壓二極體ZD1及由三極體VT3和VT4組成的兩極放大電路所構成。所述電容能量釋放電路是由開關管VT2及其柵極上的下拉或延時電阻R6、漏極上的限流電阻Rd構成。或者主要由二極體D2、功率放大三極體VT1構成的驅動電路及由開關管VT2、限流電阻Rd、下拉或延時電阻R6構成的能量釋放電路組成。
本發明有效地減小了電容的短路火花故障能量；確保電壓較高、且包含有大容量電容的電子設備能夠安全地應用於危險性環境；使本質安全型電源的輸出功率可以做得更大，且不會降低電源的效率，電路結構及控制方法更簡單；在電源體外不設隔爆外殼，所以散熱性好，設備重量沒有增加，同時降低了設備成本。
圖1是電容短路火花能量釋放器原理框圖。
圖2是電容短路火花能量釋放器實施例一工作原理圖。
圖3是電容短路火花能量釋放器實施例二工作原理圖。
圖4是電容短路火花能量釋放器實施例三工作原理圖。
圖5是電容短路火花能量釋放器實施例四工作原理圖。
圖6是電容短路火花能量釋放器實施例五工作原理圖。
圖7是電容短路火花能量釋放器實施例六工作原理圖。
具體實施例方式
結合附圖對本發明的整體結構及其工作原理作具體詳細的說明圖1所示，電容短路火花能量釋放器，它由上電屏蔽電路1、短路檢測電路2及電容能量釋放電路3依次連接組成，也就是說上電屏蔽電路連接到短路檢測電路，短路檢測電路連接到電容能量釋放電路，所述的電容能量釋放電路是由開關驅動電路3-1和能量釋放電路3-2構成，或者是由能量釋放電路3-1自身構成。實際應用時本發明電路的兩個輸出端子A和B分別接電容C0電壓的「+」和「-」端，(本設計不包括電容C0)。其工作原理為，短路檢測電路通過檢測電流或電容兩端的電壓，判斷短路故障是否發生。當檢測到電路中的電流超過某一設定值或電壓降低到低於某一設定值時，判定發生短路；由短路檢測電路發出信號，使能量釋放電路的功率開關管快速導通，電容通過限流電阻和功率開關管釋放能量，延時一段時間(電容兩端的電壓放電到接近於零，即電容能量已釋放完畢)後，開關關斷，電路恢復到原來的狀態。因此，短路故障發生時，電容的能量將主要通過能量釋放電路釋放，而因輸出端短路故障而產生的火花能量達到限制。上電屏蔽電路的作用是保證電路能正常起動。
圖2給出本發明的實施例一，實際應用時本發明電路的兩個輸出端子A和B分別接電容C0的電壓的「+」和「-」端，本設計不包括虛線框內的部分。其中上電屏蔽電路1是由電容C1、電阻R1串接後與二極體D1陰極連接而成；短路檢測電路2主要由取樣電阻R2和R3、在電阻R2與電阻R3連接點接基準電壓源U1構成；電容能量釋放電路3是由二極體D2、下拉電阻R5、下拉(或延時)電阻R6、電阻Rc和三極體VT1構成的功率開關驅動電路及由限流電阻Rd和開關管VT2構成的能量釋放電路組成。其中開關管VT2可採用三極體、MOS管或IGBT等其它可控開關管。工作原理是電阻R2和R3是電容電壓取樣電阻，正常工作時，輸出電壓在取樣電阻R3上的分壓大於2.5V，使U1一直維持導通，U1的陰極2端輸出為低電平，開關管VT2截止，整個電路處於關斷狀態；當有短路故障發生時，一旦在電阻R3上的分壓小於2.5V，U1的2端就變為高電平，開關管VT2導通，整個電路處於低阻導通狀態，電容C0通過限流電阻Rd和開關管VT2快速釋放能量。在上電的開始階段，電壓通過限流電阻R1、電容C1直接加到U1的3端(R1R2，C1相當於短路)，使得在開始一段時間U1的2腳為低電平，開關管VT2截止，保證電路的正常啟動。而當有短路故障發生時，開關管VT2導通使電容C1通過二極體D1快速放電，為再次啟動作好準備。
圖3給出了本發明的實施例2，它與圖2相比，短路檢測電路主要由取樣電阻R2和R3，穩壓二極體ZD1，運算放大器或比較器電路U1(LM358或其它型號)及電阻R4、Rz構成；除此之外，其餘部分與圖2相同。其工作原理為電阻R2和R3是電容C0分壓取樣電阻，正常工作時，輸出電壓在電阻R3上的分壓大於穩壓二極體ZD1的電壓，使運放或比較器U1的輸出一直為低電平，開關管VT2(IRF540)截止，整個電路處於關斷狀態；當有短路故障發生時，一旦在電阻R3上的分壓小於穩壓二極體ZD1的電壓，運放或比較器U1的輸出端就變為高電平，開關管VT2導通，整個電路處於低阻導通狀態，電容C0通過電阻Rd和開關管VT2快速釋放能量。在上電的開始階段，電壓通過電阻R1、電容C1直接加到U1的反相端(R1R2，C1相當於短路)，使得在開始一段時間U1的輸出為低電平，開關管VT2截止，保證電路的正常啟動。而當有短路故障發生時，VT2導通使電容C1通過二極體D1快速放電，為再次啟動作好準備。
圖4給出了本發明的實施例3，它也是圖2的一種變化形式，與圖2相比，所述電容能量釋放電路3是由開關管VT2(IRF540)及其柵極上的下拉或延時電阻R6、漏極上的限流電阻Rd構成。也就是說本發明的整個電路中取掉了開關管驅動電路3-1，直接由基準電壓源U1(TL431)的陰極通過二極體D2接到開關管VT2的柵極，其它電路與圖2相應部分相同。其工作原理為正常工作時，輸出電壓在電阻R3上的分壓大於2.5V，使基準電壓源U1一直維持導通，U1的2端輸出為低電平，開關管VT2截止，整個電路處於關斷狀態；當有短路故障發生時，一旦在電阻R3上的分壓小於2.5V，U1的2端就變為高電平，VT2導通，整個電路處於低阻導通狀態，電容C0通過電阻Rd和VT2快速釋放能量。
圖5給出了本發明的實施例4，它實際上是圖3的一種變化形式，取掉了開關管驅動電路，直接由運放或比較器U1(LM358或其它型號)的輸出通過限流電阻R4接到功率開關管VT2(IRF540)的柵極，其它電路與圖3中相應部分相同。其工作原理為電阻R2和R3是電容電壓取樣電阻，正常工作時，輸出電壓在電阻R3上的分壓大於穩壓二極體ZD1的電壓，使運放或比較器U1的輸出一直為低電平，開關管VT2截止。整個電路處於關斷狀態；當有短路故障發生時，一旦在電阻R3上的分壓小於穩壓二極體ZD1的電壓，運放或比較器U1的輸出端就變為高電平，開關管VT2導通，整個電路處於低阻導通狀態，電容C0通過電阻Rd和開關管VT2快速釋放能量。
圖6給出了本發明的實施例5，實際上也是圖2的一種變化形式，它與圖2相比，短路檢測電路主要由電阻R2、R3，穩壓二極體ZD1及三極體VT3和VT4組成的兩極放大電路所構成，其他部分電路與圖2相應部分相同。短路檢測電路的連接形式是電阻R2與R3相接的連接點接到三極體VT3的基極，電阻R3與穩壓二極體ZD1串聯，VT3的發射極接電源的正端，VT3的集電極通過電阻R4接到三極體VT4的基極，VT4的集電極分別接三極體VT1的基極和通過電阻R8接電源正端，二極體D1的陰極通過電阻R9接到VT4的基極。其原理為正常工作時，電容C0的電壓減去穩壓二極體ZD1的電壓仍大於三極體VT3的發射結壓降，則三極體VT3和VT4導通、三極體VT1和開關管VT2(IRF540)截止，整個電路處於關斷狀態；當有短路故障發生時，一旦電容C0的電壓減去穩壓二極體ZD1的電壓小於三極體VT3的發射結壓降，則三極體VT3和VT4截止、三極體VT1和開關管VT2導通，整個電路處於低阻導通狀態，電容C0通過限流電阻Rd和開關管VT2快速釋放能量。在上電的開始階段，電壓通過電容C1、電阻R1和R9直接加到VT4的基極(C1相當於短路)，使得在開始一段時間三極體VT4導通、其集電極為低電平，三極體VT1和VT2截止，保證電路的正常啟動。而當有短路故障發生時，開關管VT2導通，使電容C1通過二極體D1快速放電，為再次啟動作好準備。
圖7給出了本發明的實施例6，它是圖6的一種變化形式，與圖6相比所述電容能量釋放電路3是由開關管VT2(IRF540)及其柵極上的下拉或延時電阻R6、漏極上的限流電阻Rd構成。即電容能量釋放電路去掉了驅動電路部分，直接由放大三極體VT4的集電極接到開關管VT2的柵極，其他部分電路與圖6的相應部分相同。其工作原理為正常工作時，電容C0的電壓減去穩壓二極體ZD1的電壓仍大於三極體VT3的發射結壓降，則放大三極體VT3和VT4導通、開關管VT2截止，整個電路處於關斷狀態；當有短路故障發生時，一旦電容C0的電壓減去ZD1的電壓小於三極體VT3的發射結壓降，則VT3和VT4截止、開關管VT2導通，整個電路處於低阻導通狀態，電容C0通過限流電阻Rd和VT2快速釋放能量。在上電的開始階段，電壓通過電容C1、電阻R1和R9直接加到VT4的基極(C1相當於短路)，使得在開始一段時間VT4導通、其集電極為低電平，VT2截止，保證電路的正常啟動。而當有短路故障發生時，VT2導通使C1通過二極體D1快速放電，為再次啟動作好準備。
以上所述的圖中，電阻Rc或Rd均可以直接短路，而電路的工作原理不變。電容短路火花能量釋放器除了以上列出的實施方式外，能實現電容短路火花能量釋放器的方案還有很多。考慮到電路檢測靈敏度、放電的快速程度及電路工作的安全可靠性等，列舉的實施例一電路是較佳方案。
權利要求
1.一種電容短路火花能量釋放器，其特徵是它由上電屏蔽電路(1)、短路檢測電路(2)及電容能量釋放電路(3)依次連接組成，其中所述的電容能量釋放電路是由開關驅動電路(3-1)和能量釋放電路(3-2)構成，或者是由能量釋放電路(3-1)自身構成。
2.根據權利要求1所述的電容短路火花能量釋放器，其特徵是上電屏蔽電路(1)是由電容C1、電阻R1串接後與二極體D1負極連接而成。
3.根據權利要求1所述的電容短路火花能量釋放器，其特徵是短路檢測電路(2)主要由取樣電阻R2和R3、在電阻R2與電阻R3的連接點接一基準電壓源U1構成；或者由取樣電阻R2和R3，穩壓二極體ZD1，在電阻R2與電阻R3連接點接一運放或比較器電路U1構成；或者由電阻R2和R3，穩壓二極體ZD1及三極體VT3和VT4兩極放大電路所構成。
4.根據權利要求1所述的電容短路火花能量釋放器，其特徵是所述電容能量釋放電路(3)是由開關管VT2及其柵極上的下拉或延時電阻R6、漏極上的限流電阻Rd構成，其中限流電阻Rd可以直接短路。
5.根據權利要求1所述的電容短路火花能量釋放器，其特徵是所述的電容能量釋放電路(3)主要由二極體D2、三極體VT1構成的功率開關驅動電路及由開關管VT2、限流電阻Rd、下拉或延時電阻R6構成的能量釋放電路組成，其中限流電阻Rd可以直接短路。
全文摘要
本發明涉及一種電容短路火花能量釋放器，它主要由上電屏蔽電路1、短路檢測電路2、電容能量釋放電路3依次連接組成。所述的電容能量釋放電路是由驅動電路3－1和能量釋放電路3－2構成，或者是由能量釋放電路3－1自身構成。該電容短路火花能量釋放器主要用於煤礦、石化等危險性環境的監測、監控系統中，有效地減小了電容的短路火花故障能量；確保電壓較高、且包含有大容量電容的電子設備能夠安全地應用於危險性環境；使本質安全型或防爆電源的輸出功率可以做得更大，且不會降低電源的效率，電路結構及控制方法更簡單。
文檔編號H02H9/00GK1767299SQ20051004185
公開日2006年5月3日 申請日期2005年3月25日 優先權日2005年3月25日
發明者劉樹林, 劉健, 楊銀玲, 賴華 申請人:劉樹林