一種用於井下防止電源過壓的電路的製作方法
2024-03-24 00:45:05
本發明屬於電源監控技術領域，具體涉及一種用於井下防止電源過壓的電路。
背景技術：
井下的供電能源是由發電機系統維持，發電機將動能轉化為電能為整個系統工作。但是發電機的輸出電壓大小是根據流量決定的，流量越大，發電機的轉速越高，最終導致輸出的電壓越大，對於井下的高溫器件，普遍價格十分昂貴，一旦過壓燒毀將發生無法估計的損失，所以此電路就顯得很必要；為了防止發電機轉速過高時，輸出電壓過大損壞並燒毀負載，就需要一種過壓保護電路在電壓較大的時候斷開發電機和負載的連接。而井下工具處於一個密封狹窄的環境，所以電路必須具備耐高溫、小體積、低功耗等優點才可以長時間正常工作。
本專利有2個保護點：
1、整個電路功耗小，所需電流不過uA級，設備正常工作時此電路在低功耗模式工作，並且電路的輸入電壓範圍寬，能夠在寬的輸入電壓範圍還能夠正常工作。在低功耗工作的同時還能實時監控進入系統的電壓大小，一旦發生過壓行為，會以uS級的時間做出反應，斷開和負載的連接。
2、電路採用電壓基準加mosfet的形式實現了過壓保護功能，照比傳統的利用TVS實現過壓保護的方法，此方案精度更高，溫漂更小，排除了TVS製作工藝的誤差，並且有一定的滯回區間，防止過壓的時候發生振蕩行為，並且滯回區間的大小可調，更具有靈活性。
可廣泛應用在垂直鑽井工具、旋轉導向鑽井工具、連續管鑽井工具等石油鑽井工具中，在井下複雜地質條件下，具備高耐溫、小體積、低功耗等優 點，可長時間監控電壓大小。不僅在石油鑽井領域有著廣泛的應用，同時在交通運輸、航空航天和水下也能創造巨大的經濟和社會效益。
技術實現要素：
本發明的目的是，針對現有技術不足，提供一種適用於井下複雜地質環境下，解決發電機轉速高輸出電壓過大異常情況的用於井下防止電源過壓的電路。
本發明的技術方案是：
一種用於井下防止電源過壓的電路，包括精密電阻分壓器及RC低通濾波、高溫基準源、mosfet的驅動電路、執行機構、整機供電電源及高速比較器；其中精密電阻分壓器及RC低通濾波、高速比較器、mosfet的驅動電路、執行機構依次連通，一條正反饋電路並聯於精密電阻分壓器及RC低通濾波和mosfet的驅動電路之間的比較器上，所述高溫基準源與高速比較器相連通，所述整機供電電源分別與mosfet的驅動電路和高速比較器相連通；所述精密電阻分壓器及RC低通濾波連接高速比較器正極，高溫基準源連接高速比較器負極。
所述精密電阻分壓器和RC低通濾波中，精密電阻採集發電機發出的整流濾波電壓，利用電阻的串聯分壓功能實現高電壓到低電壓的實現，在送至到電壓比較器前經過一級無源RC濾波器。
所述高溫基準源採用了TI的TL431，工作溫度上限為125℃，最高輸出電壓為100mA。
所述mosfet的驅動電路採用三極體射隨的方式進行驅動，對電流進行放大，實現了快速的mosfet開啟，並且在輸出端加了穩壓管防止mos的Vgs過壓擊穿。
所述整機供電電源採用傳統的穩壓管加三極體擴流的形式組成線性電源，電源輸出端加上大電容以實現儲能和濾波作用，大電流迴路上串聯電流 檢測電阻，當電流過大時候燒毀電阻斷開後面電路。
所述高速比較器採用TI的LM2904。
本發明的有益效果是：
附圖說明
圖1是光電自準直儀結構圖；
圖中：1.精密電阻分壓器+RC低通濾波；2.高溫精密基準源；3.Mosfet的驅動電路；4.執行機構；5.整機供電電源；6.高速比較器。
具體實施方式
下面結合附圖與實施例對本發明提出的一種用於井下防止電源過壓的電路進行進一步的介紹：
一種用於井下防止電源過壓的電路，包括精密電阻分壓器及RC低通濾波1、高溫基準源2、mosfet的驅動電路3、執行機構4、整機供電電源5及高速比較器6；其中精密電阻分壓器及RC低通濾波1、高速比較器6、mosfet的驅動電路3、執行機構4依次連通，一條正反饋電路並聯於精密電阻分壓器及RC低通濾波1和mosfet的驅動電路3之間的比較器6上，所述高溫基準源2與高速比較器6相連通，所述整機供電電源5分別與mosfet的驅動電路3和高速比較器6相連通；所述精密電阻分壓器及RC低通濾波1連接高速比較器6正極，高溫基準源2連接高速比較器6負極。
所述精密電阻分壓器和RC低通濾波1中，精密電阻採集發電機發出的整流濾波電壓，利用電阻的串聯分壓功能實現高電壓到低電壓的實現，在送至到電壓比較器前經過一級無源RC濾波器。
所述高溫基準源2採用了TI的TL431，工作溫度上限為125℃，最高輸出電壓為100mA。
所述mosfet的驅動電路3採用三極體射隨的方式進行驅動，對電流進行 放大，實現了快速的mosfet開啟，並且在輸出端加了穩壓管防止mos的Vgs過壓擊穿。
所述整機供電電源5採用傳統的穩壓管加三極體擴流的形式組成線性電源，電源輸出端加上大電容以實現儲能和濾波作用，大電流迴路上串聯電流檢測電阻，當電流過大時候燒毀電阻斷開後面電路。
所述高速比較器6採用TI的LM2904。
本發明所採用的技術指標為：
1.輸入電壓：18V—450V；
2.輸出電壓：15V；
3.消耗電流:110uA；
4.工作溫度：-25℃—150℃；
5.反應時間：100uS；
具備監測井下電源電壓系統的電路由多部分組成，全部利用分類元件實現，實現了小型化，PCB布局上考慮了大信號的走向和小信號的走向，最終實現了單點接地，以防止電路部分受幹擾。決定監控電壓精度的部分都採用了千分之1的電阻來保證高的精度要求。並且具備過流保護，當過流時斷開電路和電源的連接。採樣部分通過加入無源濾波器實現了高頻差模信號和共模信號的濾除。並且整機在高溫箱中做了高溫試驗，整個過程都能實現電壓的精確監控。並且關鍵部分都用了穩壓管做保護，防止過壓時關鍵部分受損害；電源部分也加入限流電阻，防止過流時整個電路燒毀。
本發明所述的具備監測電源電壓的電路由下面6部分組成，如圖1所示，第一部分是精密電阻分壓器和RC低通濾波，精密電阻採集發電機發出的整流濾波電壓，利用電阻的串聯分壓功能實現高電壓到低電壓的實現，在送至到電壓比較器之前經過一級無源RC濾波器，用以濾除產生的高頻幹擾信號，以防止高速比較器誤動作，這裡RC濾波器的時間常數儘可能大，以濾除除 直流信號以外的一切幹擾，但是也不要太大，否則影響實時速度，以調試結果為準；第二部分是高溫基準源，此部分是電路的關鍵，其的精度高低和穩定性決定了整個電路的性能指標，所以基準源採用了TI的TL431，其的工作溫度範圍可以達到125度，並且內部具有溫度補償電路，能夠將電壓準確的穩定在要求電壓點，精度可以達到0.5％，輸出電流可以達到100mA，完全滿足要求，並且外接高頻濾波電容以實現去除高頻幹擾的作用；第三部分是mosfet的驅動電路，因為電壓比較器是開漏輸出，所以必須外接驅動電路才可以實現mosfet的驅動，因為系統的實時性要求較高，所以需要驅動電路有快速的驅動能力，所以採用了三極體射隨的方式進行驅動，對電流進行放大即實現了快速的mosfet開啟，並且在輸出端加了穩壓管防止mos的Vgs過壓擊穿；第四部分是執行機構，通過mosfet當開關實現了發電機端和負載端的連接，如果過壓發生立即控制mosfet動作，斷開兩者的連接；第五部分是整機供電電源，因為此電路供電範圍寬，並且電流消耗很小，所以採用線性電源比較合適，如果是開關電源則所用器件增多，不能實現小型化，性價比不高，這裡採用傳統的穩壓管加三極體擴流的形式組成線性電源，電源輸出端加上大電容以實現儲能和濾波作用，並且大電流迴路串上了電流檢測電阻，當電流過大時候即燒毀電阻斷開後面電路；第六部分是高速比較器部分，此比較器採用TI的LM2904，其具有低的失調電流和ns級的反應速度，工作溫度可以達到125度，對於這種電壓監控應用十分適合，並且比較器加入正反饋環節，防止在過壓臨近點發生波動，影響精度，具體的滯回區間根據自己的要求計算，此電路也可以用於其他電路的電壓監測，只需要更改少數電阻即可以更改監測電壓的大小，方便快捷，並且精度高，穩定性好。