CN101232200A - 爆炸性气体环境用本质安全型不间断直流稳压电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种爆炸性气体环境用本质安全型不间断直流稳压电源，涉及电源技术，提供了一种具有良好的UPS功能、电池过放电保护电路简单、过流过压保护功能好、兼顾效率和直流电源性能指标的直流稳压电源。本发明除了含有工频变压器、桥式整流装置和电容滤波器以外，还含有UPS电路、电压调节电路、恒流检测电路、取样电阻器、场效应管开关电路、串联稳压电路、并联稳压电路、过流短路保护电路和逻辑或门电路。本发明是具有良好的UPS功能、电池过放电保护电路简单、过流过压保护功能好、兼顾效率和直流电源性能指标的本质安全型直流稳压电源。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域，更具体地说，它涉及一种具有UPS功能的，爆炸性气体环境用本质安全型直流稳压电源。
背景技术
直流稳压电源可分为开关电源和线性电源。开关电源最大的优点是效率高，体积小；缺点是精度低，稳定性差，噪声大。直流线性稳压电源最大优点是稳定性好，精度高，噪声小；缺点是效率低，体积大。因此对于电源稳定性要求不高的一般情况供电和输出大功率电源，可选用开关电源；对于电源精度，噪声要求高的场合必须选用线性电源。
电源在没有交流输入的情况下，当电池过放保护，电池两端电压回升后，备用电池能自动投入，不利于对电池的保护。现有的大多数电源采用继电器保护方式，这种方法增加了产品的成本，另外在采用这种保护方式时，不论是外部正常供电还时蓄电池放电过程中，继电器线圈总是有十几甚至几十毫安电流通过，增加了电源的损耗，特别是对蓄电池而言，缩短了放电时间，降低了放电效率。
现有的电池自动投入供电方式大多采用两种方法。一是采用继电器释放、吸合供电方式，这种方式的缺点是继电器动作属于机械动作，动作速度慢，易引起供电设备，例如分站等的重新启动，不利于煤矿等爆炸性气体环境作业的安全。另一种是采用晶体管或者场效应管作为开关，开关的动作时间可以保证，但其在供电电路的主回路中，当供电电流较大时晶体管或者场效应管容易发热，影响电源的可靠性和使用寿命。
在采用双重保护的电路中，由于晶体管存在饱和压降，因此在负载电流增大时，输出电压会下降，影响供电质量的不足。
现有的过流短路保护大多采用三极管节流型保护，这种保护电路的保护功能全部集中于一个晶体管，过流或短路保护时功率全部消耗在起保护作用的晶体管上，晶体管易发热，影响使用寿命。而且，晶体管受自身参数和性质的影响，不利于过流保护电流数值的精确调整。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种具有良好的UPS功能、电池过放电保护电路简单、过流过压保护功能好、兼顾效率和直流电源性能指标的爆炸性气体环境用本质安全型直流稳压电源。
本发明的爆炸性气体环境用本质安全型不间断直流稳压电源通过下述技术方案予以实现：
整流滤波电路1分别接UPS电路2、电压调节电路3和恒流检测电路4；所述UPS电路2也分别接到电压调节电路3和恒流检测电路4，其功能是在交流断电的情况下，通过蓄电池给电路供电；所述电压调节电路3依次接取样电阻器5、场效应管开关电路6、串联稳压电路7、并联稳压电路8；所述恒流检测电路4接并联稳压电路8；所述取样电阻器5接过流短路保护电路9，过流短路保护电路9接场效应管开关电路6和并联稳压电路8的输出端；所述UPS电路2和并联稳压电路8通过逻辑或门电路10接电压调节电路3。
所述的UPS电路2含有恒压限流充电电路，用于给铅酸蓄电池(组)充电，它是由电压可调的三端稳压器U4、2个电阻(R11、R12)、电位器VR1和二极管D6组成的；所述UPS电路2还包括电池过放电保护电路，用以在电池过放电时产生保护信号，使电路关闭输出，它是由5个电阻(R10、R13～R16)、3个二极管(D7、WD3、WD4)、运算放大器U5、和光耦Q3组成的；所述UPS电路2的UPS开关利用二极管的反向截至特性，采用最大电流为5安培的肖特基二极管。
所述的过流短路保护电路9含有电流检测电路，用以检测电源输出电流的大小，它是由电压比较器U101、2个电阻(R101、R102)、电位器VR101和稳压二极管WD101组成的；所述的过流短路保护电路9还包括电压跟随式保护信号产生电路，用以在电源过流或者输出负载短路时产生控制所需的场效应管开关电路6的保护信号，并具有锁定功能，直至检测到负载正常，它是由运算放大器U102、6个电阻(R103～R108)、电容C101和2个二极管(D103、WD102)组成的；所述的过流短路保护电路9还包括负载检测电路，用以检测电源的负载是否恢复正常，即此时电路无过流或者短路，然后通过光耦(Q101)对所述保护信号产生电路进行控制，使其解除锁定信号，电路正常工作。它是由2个运算放大器(U104、U105)、4个电阻(R106、R109～R111)、电位器VR102、光耦Q101组成的。
所述的取样电阻器5采用金属膜或者绕线式电阻，耗散功率大于2瓦特，电阻两个引脚上装有绝缘套管；所述的逻辑或门电路，采用由二极管和电阻组成的或门电路；所述的电压调节电路采用LM2576系列开关型可调输出电压的降压稳压集成电路，带有控制端，可以利用TTL电平关闭输出。
本发明的爆炸性气体环境用本质安全型直流稳压电源，与现有技术相比有如下的积极效果。
1.蓄电池充电采用恒压限流充电方法，适应了电池的充电特性，可避免发生过充电，减少氢、氧气体产生，充电过程不需调整电流，操作简单。采用这种方法实现的电路，在保证正常性能的前提下，大大降低了电路的复杂性。
2.电池过放电保护电路，利用运算放大器自身的功能完成，电路简单可靠，降低了成本。
3.UPS开关功能仅由一个肖特基二极管完成，利用二极管的反向截止特性，电路简单可靠，发热小，能通过较大的电流。切换无延时，保证了供电设备工作的连续性。
4.电路保护功能完善，主电路中任意一级短路，或者过流短路保护电路任意一个失效，均不影响电源的正常输出和保护功能的实现。
附图说明
图1是本发明本质安全型不间断直流稳压电源的电路原理方框图；
图2是本发明电源的UPS电路原理图；
图3是本发明电源的过流短路保护电路原理图；
图4是本发明电源的双重过流短路保护原理方框图；
具体实施方案
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。
图1中示出的是本发明本质安全型不间断直流稳压电源的具有双重保护的电路方框图，其中，整流滤波电路1、UPS电路2、电压调节电路3、恒流检测电路4、取样电阻器5、场效应管开关电路6、串联稳压电路7、并联稳压电路8、过流短路保护电路9、逻辑或门电路10。
当电源有交流输入时，电源的工频变压器可以接入380V或者660V的交流电压，经整流滤波电路1后得到23V直流电压。23V直流电压一方面输入UPS电路2，供12V铅酸蓄电池恒压限流充电电路使用，并且使电池过放电保护电路处于无效状态；另一方面，23V直流电压经过电压调节电路3，转换成7.5V直流电压，经过场效应管开关电路6后，通过串联稳压电路7得到5V直流电压输出，供设备使用。当外界没有交流输入时，12V蓄电池开始对外供电，当电池电压低于电路设定的电池最低放电保护电压值时，电源停止供电，直到有交流输入时，电源恢复供电。
图2中示出的是电源的UPS电路2的电路图，其中，整流滤波电路1、电压调节电路3、恒流检测电路4、逻辑或门电路10。
UPS电路2主要由恒压限流充电电路，电池过放电保护电路和起UPS开关功能的二极管组成。输出电压可调的三端稳压元件U4、电阻(R11、R12)、电位器VR1和二极管D6组成的恒压限流充电电路的充电电压，按照每个单体电池的充电电压为2.3～2.4V进行计算，具体实施时，设定为13.5V，充电全过程中保持充电电源的电压恒定不变。R11是限流电阻，限定充电初期电流的大小，充电过程不需要调整电流，D6防止蓄电池经过三端稳压元件U4放电，造成元件损坏。有交流输入时，所述23V电压使稳压二极管WD4击穿，光耦Q3被点亮，使电压比较器U5的输出始终为低电平，电池过放电保护电路处于无效状态。同时，由于蓄电池浮充电压不会高于14V，而二极管D5的阴极与三端稳压器件U4的输入相连，即与整流滤波电路1相连，则二极管阴极电压高于阳极电压，电池不会通过二极管D5放电，电池处于浮充状态。当交流输入消失时，蓄电池立即通过二极管D5对电路供电，供电无延时，这样，通过一个二极管即可实现UPS的开关作用。方案中选用的是最大电流5A的肖特基二极管，可以满足大电流供电的需要，同时不会引起UPS开关发热。同时，当蓄电池供电时，二极管WD4不会被击穿，光耦Q3不起作用，当电池电压下降到保护电压值11V时，电压比较器U5输出高电平，高电平控制电压调节电路3，使电源停止供电，起到保护电池的作用。
图3中示出的是电源的过流短路保护电路9的电路图，其中，取样电阻器5、场效应管开关电路6。所述的取样电阻器5为0.1欧姆的金属膜电阻，耗散功率大于2瓦特。过流保护电流值为2安培。取样电阻器5将电源输出的电流值转换为电压值，通过电压比较器U101与稳压二极管WD101和电位器VR101所设定的值进行比较，当负载电流大于2A或者负载短路时，电压比较器U101输出高电平。该高电平输入运算放大器U102进行电压比较，U102输出高电平，通过二极管D102和电阻R104形成正反馈，使运算放大器U102输出保持高电平，即锁定运算放大器U102的输出，运算放大器U102输出的高电平使场效应管开关电路关断，电源输出关闭。同时，运算放大器U102输出的高电平给运算放大器U104和运算放大器U105、电阻(R110、R111)、电位器VR102组成的负载检测电路供电。为了防止冲突，运算放大器U102的输出通过电阻R103和电容C101组成的延时电路，延时10微秒后给负载检测电路供电。若此时负载正常，即电路不会出现短路或过流时，运算放大器U104输出高电平，光耦Q101点亮，运算放大器U102输出为低电平，使场效应管开关电路6开通，电源恢复输出，同时电容C101通过D103迅速放电，即停止了负载检测电路的供电，负载检测电路立即停止工作。若负载不正常，运算放大器U104输出为低电平，光耦Q101不起作用，运算放大器U102输出一直锁定为高电平，场效应管开关电路6一直关断，电源无输出。
图4示出的是电源的双重过流短路保护结构，其中，取样电阻器5、场效应管开关电路6、串联稳压电路7、过流短路保护电路9。场效应管开关电路6为两个P沟道场效应管串联，每个场效应管分别接有独立的保护电路。因此，有一级场效应管或者保护电路损坏，电路的保护作用仍然存在，保证了电源工作的安全性。
在图1所示的电路方框图中，电压调节电路3和串联稳压电路7中任何一个发生短路，电源仍然能安全输出，并且保护功能不受影响。当电源调节电路3发生短路时，整流滤波后的23V电压通过场效应管开关电路6，输入串联稳压电路7。由于串联稳压电路7的最大耐压值是37V，并且串联稳压电路7是线性稳压电路，因此电路输出依然是5V。当串联稳压电路7发生短路时，电压调节电路3输出的7.5V电压直接输入并联稳压电路8，并联稳压电路8所设定的值为5.1V，当输入的电压值大于5.1V时，电路产生高电平关断信号，去关闭电压调节电路3的输出，当电压调节电路3的输出小于5.1V时，关断信号变为低电平，电压调节电路3恢复输出。该过程行程一个反馈，反馈过程使电路输出稳定在5.1V，电源输出依然在正常范围内，并且不影响过流短路保护电路的正常保护功能。
Claims (7)
1.一种爆炸性气体环境用本质安全型不间断直流稳压电源，含有工频变压器、桥式整流装置和电容滤波器，其特征在于，整流滤波电路(1)分别接UPS电路(2)、电压调节电路(3)和恒流检测电路(4)；所述UPS电路(2)也分别接到电压调节电路(3)和恒流检测电路(4)，其功能是在交流断电的情况下，通过蓄电池给电路供电；所述电压调节电路(3)依次接取样电阻器(5)、场效应管开关电路(6)、串联稳压电路(7)、并联稳压电路(8)；所述恒流检测电路(4)接并联稳压电路(8)；所述取样电阻器(5)接过流短路保护电路(9)，过流短路保护电路(9)接场效应管开关电路(6)和并联稳压电路(8)的输出端；所述UPS电路(2)和并联稳压电路(8)通过逻辑或门电路(10)接电压调节电路(3)。
2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述的UPS电路(2)由电压可调的三端稳压器(U4)、电阻(R11、R12)、电位器(VR1)和二极管(D6)组成的恒压限流充电电路，用于给铅酸蓄电池或蓄电池组充电；所述UPS电路(2)还包括由运算放大器(U5)、电阻(R10、R13～R16)、二极管(D7、WD3、WD4)和光耦(Q3)组成的电池过放电保护电路，用以在电池过放电时产生保护信号，使电路关闭输出；所述UPS电路(2)的UPS开关利用二极管的反向截止特性，采用最大电流为5安培的肖特基二极管。
3.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述的过流短路保护电路(9)由电压比较器(U101)、电阻(R101、R102)、电位器(VR101)和稳压二极管(WD101)组成的电流检测电路，用以检测电源输出电流的大小；所述的过流短路保护电路(9)还包括由运算放大器(U102)、电阻(R103～R108)、电容(C101)和二极管(D103、WD102)组成的电压跟随式保护信号产生电路，用以在电源过流或者输出负载短路时产生控制所需的场效应管开关电路(6)的保护信号，并具有锁定功能，直至检测到负载正常；所述的过流短路保护电路(9)还包括由运算放大器(U104、U105)、电阻(R106、R109～R111)、电位器(VR102)、光耦(Q101)组成的负载检测电路，用以检测电源的负载是否恢复正常，即此时电路无过流或者无短路，然后通过光耦(Q101)对所述保护信号产生电路进行控制，使其解除锁定信号，电路正常工作。
4.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述的取样电阻器(5)采用金属膜或者绕线式电阻，耗散功率大于2瓦特，电阻两个引脚上装有绝缘套管。
5.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述的逻辑或门电路(10)，采用由二极管和电阻组成的或门电路。
6.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述的电压调节电路(3)采用LM2576系列开关型可调输出电压的降压稳压集成电路，带有控制端，利用TTL电平关闭输出。
7.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述场效应管开关电路(6)为两个P沟道场效应管串联，每个场效应管分别接有独立的保护电路。
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