一種本質安全型直流電源的多電壓轉換裝置的製作方法
2023-05-18 07:16:46 2
專利名稱：一種本質安全型直流電源的多電壓轉換裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種供電裝置，具體涉及一種用於將本質安全型直流電源轉換為多個 較低電壓的供電電源的裝置，尤其是能在5V或更低電壓下提供較大電流的本質安全型供 電轉換裝置。
背景技術：
本質安全電路是指在國家標準GB3836. 4-2000《爆炸性氣體環境用電氣設備第4 部分本質安全型「i」》規定的條件(包括正常工作和規定的故障條件)下，產生的任何電火 花或任何熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體環境的電路；本質安全設備是指設備內部 的所有電路都是本質安全電路的電器設備。這種設備的特徵是不依靠堅固的外殼，而是靠 設備自身具備的安全性質，即任何一個元器件短路或開路時產生的電火花，不至於引爆周 圍的可燃性氣體。給本質安全設備供電的電源，其輸出端必須同樣具備本質安全性能。對該電源的 輸出端的要求是發生最不利的故障(短路或開路)時產生的電火花，均不應點燃周圍的可 燃性氣體。作為通訊、監控、檢測、報警以及控制系統的供電設備，本質安全型供電電源主 要應用於石油、化工、紡織和煤礦等含有爆炸性混合物的環境中。由於對電源有上述要求， 所以一百多年來，本質安全型電源一直未能突破20W左右的功率。目前常用的本質安全型 電源主要有以下幾種規格(1)5V、2A ;(2)12V、1. 5A ； (3) 15VU. 2A ； (4) 18VU. 2A ;(5)24V、 0. 5A。由於本安電源是隔爆形式，外殼由鋼板製成，很笨重，因此，對於現有電源的充分 利用也顯得重要。當用於給LED顯示燈牌供電時，顯示模塊採用的是3. 3V供電，控制主板採用的是 5V供電，如果用現有的5V本質安全型電源供電，由於5V電源目前最大只能做到2A，燈牌最 大只能做到0. 4平方米，這就限制了 LED顯示燈牌在煤礦等場合的應用。另外，在給多個低 電壓用電設備供電時，由於電流的限制以及各用電器隔離的要求，需要對應設置多個本質 安全型供電電源，這也導致了應用成本的增加、電源總體積的增大及重量的增加。由於目前12V、15V、18V等較高電壓等級的本質安全型電源的輸出功率要明顯大 於5V電源的輸出功率，如果能夠用這些較高電壓等級的電源給5V或更低電壓的用電器供 電，則可以獲得更大的功率。然而，這首先要解決如何把電源電壓降到5V和3. 3V。低電壓 的穩壓二極體存在下列問題同一型號的穩壓二極體穩定電壓可能存在10%的誤差；在不 同的工作電流下，穩壓二極體的穩定電壓變化較大，特別是在工作電流較小時，電壓波動較 大，對於3V以下的穩壓二極體，約有10%左右的電壓變化；同時要獲得大電流的低電壓穩 壓二極體比較困難。如果採用線性穩壓器進行穩壓的話，電源輸出功率的很大一部分將會 損耗在線性穩壓器上，導致輸出功率的降低。而如果採用DC-DC元件對電壓進行調整，雖然 現有的DC-DC模塊很多都帶有軟啟動電路以減小啟動電流，但其啟動電流仍偏大，對於本 質安全型電源來說，只要它所接的負載大於它允許的最大負載，電源就會切斷供電，所以，
3DC-DC模塊在本質安全型電源供電場合的應用受到很大的限制。因此，如何獲得可以提供5V或更低電壓、較大輸出功率的本質安全型供電電源， 是目前急需解決的問題。
發明內容
本發明目的是提供一種本質安全型直流電源的多電壓轉換裝置，該裝置能夠將較 高電壓的供電轉換成多個較低電壓的供電，使現有的本質安全型直流電源的有限功率在低 電壓供電的情況下得到充分利用。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是一種本質安全型直流電源的多電壓 轉換裝置，由直流電源供電，主要由限流器件及至少二個穩壓模塊串聯連接構成；每個所述 穩壓模塊由電壓調整電路、電壓採樣電路和壓控電流組件構成，所述電壓調整電路中設有 採樣點，所述電壓採樣電路採樣電壓調整電路中採樣點的電壓，連接控制所述壓控電流組 件的工作電流，使負載變化時，穩壓模塊的輸入、輸出總電流不變；上一穩壓模塊的電流總 輸出端連接至下一穩壓模塊的電流總輸入端，構成串聯疊加結構。上述技術方案中，電壓調整模塊用於穩定電壓，當負載變化時，由於負載電流的改 變，電壓調整模塊中採樣點的電壓會發生變化，該電壓經電壓採樣電路傳遞至壓控電流組 件，壓控電流組件中的電流隨之改變，負載電流增加時，壓控電流組件中的電流相應減小， 負載電流減小時，壓控電流組件中的電流相應增大，由此使穩壓模塊的輸入、輸出總電流不 變，從而把電流傳遞給下級穩壓模塊和負載。由於設置了壓控電流組件，流過穩壓模塊的電 流主要經過負載和壓控電流組件傳遞，電壓調整模塊的電流佔很小部分，保證了穩壓模塊 的輸出電壓穩定。上文中，每個穩壓模塊具有電流輸入和輸出端，上一級穩壓模塊的電流輸出端接 至下一級穩壓模塊的電流輸入端，每個穩壓模塊具有一對電源輸出端，由此形成至少二個 輸出電源。使用時，將整個電源連接至較高電壓的本質安全型電源上，各穩壓模塊即會分別 輸出較低的電壓，由於各穩壓模塊間是串聯的，每一穩壓模塊均可以提供不大於較高電壓 的電源額定電流的電流；限流器件可以採用電阻或恆流源，當電流較大時，可選用恆流源， 一般地，設定恆流源的電流稍小於供電的較高電壓的本質安全型電源的最大電流。例如，較 高電壓的本質安全型電源採用18V、1.0A的電源，設置五個穩壓模塊，除去恆流源上消耗一 定電壓後，每個穩壓模塊的輸出電壓為3V，則三個穩壓模塊可以分別提供1. OA的電流，總 供電電流最大可達5A。由於各穩壓模塊輸出電壓的基準不同，當用於對同一低壓用電設備 的各個不同部件進行供電時，需要在用電設備各部件間設置信號隔離器件，以避免不同地 產生的影響。例如，對較大面積的LED顯示燈牌供電時，將顯示燈牌中的LED分成幾個部分， 各穩壓模塊分別給每一部分供電，而各部分之間的信號傳送，則通過信號隔離器件實現。各 穩壓模塊的電源輸出端也可以單獨使用。上述技術方案中，所述電壓調整電路包括串聯連接的穩壓管和電阻，穩壓管和電 阻的連接電路上設置所述採樣點。優選的技術方案，所述電阻由至少一個電阻器和一個電位器串聯構成。壓控電流組件可以採用多種現有技術中的任一種實現，只要使電流隨電壓的變化 與負載電流變化滿足互補條件即可。可選的技術方案包括
4所述壓控電流組件包括運算放大器構成的負反饋放大電路、三極體構成的放大電路， 運算放大器的正相輸入端和反相輸入端分別連接基準電壓和採樣點，運算放大器的輸出端 經基極電阻連接三極體的基極，三極體的發射極和集電極之間構成穩壓模塊的電壓輸出端。或者，所述壓控電流組件由三極體共射極放大電路構成，採樣電路的輸出連接三 極管的基極，三極體的集電極和發射極之間構成穩壓模塊的電壓輸出端，所述三極體為單
管或複合管。或者，所述壓控電流組件由場效應管放大電路構成，採樣電路的輸出經電阻連接 場效應管的柵極，場效應管的漏極和源極之間構成穩壓模塊的電壓輸出端。由於上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點
1.本發明通過設置壓控電流組件，實現了多級電源串聯輸出，克服了穩壓二極體電壓 和電流輸出的局限，適當調整採樣電路參數，可以得到各種不同的穩定電壓，適當選擇壓控 電流組件的放大倍率，可以得到各種不同的穩定電流，由此可以消除穩壓二極體的產品差 異造成的影響。2.本發明的電路能將較高電壓的本質安全型電源的輸出轉換為多個較低電壓的 本質安全型電源，從而獲得低電壓大電流的供電，特別適合於如LED顯示燈牌等用電器使 用，也可以用於給鄰近的多個設備同時供電。3.本發明中的穩壓模塊所帶負載的電流在零和最大值之間變化時，仍可得到非常 高的穩壓精度，克服了普通穩壓二極體在負載電流大範圍變化時電壓不穩定的曲線，該缺 陷在低電壓時尤為顯著。4.本發明所涉及的電源轉換電路具有本質安全特性，可直接用於本安型電子設備 中，不需要外加隔爆防護外殼。
圖1是本發明實施例一中的電路框圖示意圖； 圖2是圖1中一個穩壓模塊的電路結構示意圖； 圖3是圖2中基極電流與電壓關係示意圖4是實施例二中一個穩壓模塊的電路結構示意圖； 圖5是實施例三中一個穩壓模塊的電路結構示意圖； 圖6是實施例三中場效應管特性示意圖一； 圖7是實施例三的場效應管特性示意圖二。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述
實施例一參見圖1所示，一種本質安全型直流電源的多電壓轉換裝置，主要由恆流源 及4個穩壓模塊串聯連接構成，各穩壓模塊分別獨立給用電器供電，各用電器之間通過信 號隔離器件隔離；參見附圖2所示，為其中一個穩壓模塊的電路結構示意圖，採用共發射極 的三極體放大電路結構，所述三極體為兩個三極體單管構成的複合管，第一三極體為NPN 管，第二三極體採用PNP管，第一三極體的集電極連接至第二三極體的基極，整個複合管為
5NPN型，其中，第一三極體的基極為複合管的基極，第一三極體的發射極與第二三極體的集 電極連接，構成複合管的發射極，第二三極體的發射極構成複合管的集電極。複合管的集電極和基極之間設有穩壓管，基極和發射極之間設有阻值可調的偏置 電阻，如圖，由電阻R和電位器Rw串聯構成，集電極和發射極之間構成電源輸出端義。穩壓 管、電阻R和電位器Rw —起構成電壓調整電路，三極體構成壓控電流組件，兩者的連接線則 構成電壓採樣電路。相鄰二個穩壓模塊之間，下一穩壓模塊中複合管的集電極與上一穩壓模塊中複合 管的發射極連接，第一個穩壓模塊中複合管的集電極與恆流源的輸出端連接。本實施例中，選擇第一三極體的放大倍率為100，第二三極體的放大倍率為2000， 從而，該放大電路結構的總放大倍率為200000。1)本電源由恆流源供電，其中的電流關係式為； IfZ_IuL_IuZ_Ic(1)
式中Ifz為負載電流；I皿為恆流源電流；Iuz為流過穩壓二極體的電流為流過三極體 集電極的電流，三極體為複合管時為全部三極體集電極的電流的總和。2) 本電源輸出電壓為
Vfz=VA1(2)
式中Vfz為輸出電壓；Vuz為穩壓二極體兩端的電壓；Vbel為第一級NPN三極體基極與發 射極兩端之間的電壓。3)本電源允許負載的最大電流為
當三極體集電極電流趨近零，此時負載上可以得到最大電流。Ifz=IuL-Iuz-Ic ^ Iul-Iuz
4)穩壓管電流與集電極電流關係
Iuz=IE+Ibei ^ IE+Ic/b 艮口 Ic^b ( Iuz- Ie)(3)
式中Ik為流過電阻R的電流，Ibel為三極體基極電流，b可以是一個三極體也可以是復 合管的值的總放大倍數，根據(1)，(3)式可知，b越大，穩壓管的電流擴擴展功能越大。穩壓過程當負載電流增加，Uo丨,Ua丨，根據圖3曲線圖，Tl基極電流丨，ITlI， IT2丨，故Uo丨，由此輸出電壓穩定。實施例二 參見圖4所示，為一個穩壓模塊的電路結構示意圖。穩壓模塊由恆流源 供電，電壓採樣由穩壓管Dwl和電阻R2、W2組成，壓控電流組件由運算放大器LM324、反饋電 阻Rf、電壓基準及三極體T組成，其中電壓基準由電阻禮、W1和穩壓管Dw2組成。電壓採樣電路的工作原理穩壓管在正常工作時有一個對應的伏安特性，把這個 特性看成一個等效電阻RDjP
以C2V7為例，當電壓在2. 5V 2. 9V變化時，對應電流約在1 9mA變化。根據公式 (1)可知，當電壓低時，等效電阻RD偏大，相反電壓高時RD偏小。穩壓管Dwl與電阻R2、W2組成分壓電路，Ub點為電壓採樣點TT = TT __ ..................... (-ΟΛ
適當選擇穩壓管與r2、W2可以採樣到比輸出電壓波動更為強的電壓波動信號。W2用於調整穩壓二極體工作電流到合適的位置，運算放大器對採樣到的電壓波動 信號放大，由RpDfW1組成基準電路，忽略運算放大器輸入端的電壓差，輸出電壓
U0 = UDffl+Ub .............................. (3)
其中Udwi為穩壓管Dwl的穩定電壓，調節基準電壓Ub即可調整輸出電壓U。。電流調節部分可根據Ud的變化，由三極體T完成。恆流源電流IHL IHL = IZ+IF+IT+IFZ ........................... (4)
其中，IZ:穩壓二極體電流 IF 運放電流 IT:電流調整管電流 IFZ 負載電流
穩壓過程和向下一級穩壓模塊供電過程當負載為0時，根據公式(4)，主電流經電流 調整管流入D點到下一級；當負載電阻減小時，由於恆流源的作用U。丨,Ub丨，Ud丨，調整管 T基極電流減小，IT丨，使Uo維持穩定。調整的作用是負載電流增加，調整管電流減小，反之負載電流減小，調整管電流 增加，保證下一級穩壓模塊有必需的電流供應。實施例三參見圖5所示，為一個穩壓模塊的電路結構示意圖。場效應管穩壓模塊 由恆流源供電，電壓採樣部分由電阻R1和W1組成，壓控電流組件由一個場效應管實現，也可 以由二個以上場效應管組成多級放大及電流調整結構。場效應管可以是N溝道的，也可以 是P溝道的。本實例中採用一個增強型N溝道場效應管來實現放大和電流調整功能。本穩 壓模塊的電壓採樣取自R1和W1的分壓採樣點a，經電阻R2由柵極輸入，漏極和源極之間構 成電源輸出端
模塊工作原理由場效應管的特性可知，當場效應管工作在飽和區時，每個場效應管的 柵源極電壓Ves都對應有一個漏極電流Id(見圖6)，假設與Ves相對應的漏極電流Id大於恆 流源的電流，那麼恆流源的輸出電壓Vo下降，直到Ves與Id的對應關係自動趨於平衡，這時 輸出電壓Vo穩定。輸出電壓Vo:
Vo =Vei+ Vwi=VgsX (R ^+R1)/R1……(1)
其中=Vei 電阻R1兩端的電壓
Vffl:可變電阻W1兩端的電壓 Vgs 場效應管柵極和源極之間的電壓 Id 流過場效應管漏極的電流 漏極電流Id與柵源極電壓Ves的對應關係如下
ID=IdoX (VgsAt) 2 ...........................⑵
其中:VGS=2 Vt時流過漏極的電流 VT:場效應管的開啟電壓
忽略柵極電流，那麼流過R1和W1的電流相等。當Id不變，對應的Ves(即Vki)也不變，
7所以流經R1和W1的電流I K1與Iwi也不變，於是通過調整W1阻值，則調整了輸出電壓Vo。負載變化時的穩壓過程當負載從空載逐漸增加至滿載的過程中，由於恆流源的 作用Vo I , Vgs丨，則與Ves相對應的漏極電流Id丨。由公式(3)可知，當場效應管的跨導 gm足夠大時，Id的變化Δ Id只會引起Ves很小的變化，由公式(1)可知，輸出電壓Vo也只 會有很小的變化。gm= Δ ID/ Δ Vgs........................... (3)
其中gm 場效應管的跨導
AVgs:柵源極電壓的變化量 Δ Id 和Δ Vgs相對應的漏極電流的變化量
向下一級穩壓模塊供電過程主電流經電流調整管和負載流入S點到下一級。負載電 流增加，調整管電流減小，反之負載電流減小，調整管電流增加，兩者之和基本等於恆流源 的電流。這樣就保證了下一級穩壓模塊有必需的電流供應。
權利要求
1.一種本質安全型直流電源的多電壓轉換裝置，由直流電源供電，其特徵在於主要 由限流器件及至少二個穩壓模塊串聯連接構成；每個所述穩壓模塊由電壓調整電路、電壓 採樣電路和壓控電流組件構成，所述電壓調整電路中設有採樣點，所述電壓採樣電路採樣 電壓調整電路中採樣點的電壓，連接控制所述壓控電流組件的工作電流，使負載變化時，穩 壓模塊的輸入、輸出總電流不變；上一穩壓模塊的電流總輸出端連接至下一穩壓模塊的電 流總輸入端，構成串聯疊加結構。
2.根據權利要求1所述的本質安全型直流電源的多電壓轉換裝置，其特徵在於所述 限流器件為恆流源。
3.根據權利要求1所述的本質安全型直流電源的多電壓轉換裝置，其特徵在於所述 限流器件為電阻。
4.根據權利要求1所述的本質安全型直流電源的多電壓轉換裝置，其特徵在於所 述電壓調整電路包括串聯連接的穩壓管和電阻，穩壓管和電阻的連接電路上設置所述採樣點。
5.根據權利要求4所述的本質安全型直流電源的多電壓轉換裝置，其特徵在於所述 電阻由至少一個電阻器和一個電位器串聯構成。
6.根據權利要求1所述的本質安全型直流電源的多電壓轉換裝置，其特徵在於所述 壓控電流組件包括運算放大器構成的負反饋放大電路、三極體構成的放大電路，運算放大 器的正相輸入端和反相輸入端分別連接基準電壓和採樣點，運算放大器的輸出端經基極電 阻連接三極體的基極，三極體的發射極和集電極之間構成穩壓模塊的電壓輸出端。
7.根據權利要求1所述的本質安全型直流電源的多電壓轉換裝置，其特徵在於所述 壓控電流組件由三極體共射極放大電路構成，採樣電路的輸出連接三極體的基極，三極體 的集電極和發射極之間構成穩壓模塊的電壓輸出端，所述三極體為單管或複合管。
8.根據權利要求1所述的本質安全型直流電源的多電壓轉換裝置，其特徵在於所述 壓控電流組件由場效應管放大電路構成，採樣電路的輸出經電阻連接場效應管的柵極，場 效應管的漏極和源極之間構成穩壓模塊的電壓輸出端。
全文摘要
本發明公開了一種直流電源的多電壓轉換裝置，由直流電源供電，其特徵在於主要由限流器件及至少二個穩壓模塊串聯連接構成；每個所述穩壓模塊採用穩壓二極體和共發射極的三極體放大電路結構，所述三極體選自單管或複合管，三極體的集電極和基極之間設有穩壓管，基極和發射極之間設有阻值可調的偏置電阻，在集電極和發射極之間構成電源輸出端；各穩壓模塊的電源輸出端構成串聯疊加結構。本發明可以搭成具有各種電壓和電流的穩壓電路，電路結構簡單，實現方便；能消除穩壓二極體的產品差異造成的影響，保證輸出電壓的穩定。
文檔編號H02M3/00GK102005916SQ20101057713
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月7日 優先權日2010年10月14日
發明者張潛, 武強, 邵鵬, 黃曉穎 申請人:常熟市恆正儀器有限公司