CN102088248A - 高输出功率的本质安全型电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供的高输出功率的本质安全型电源，包括直流变换电路和恒流电路，以及至少2套结构相同的过压保护电路、过流保护电路、重载慢保护电路、重载快保护电路和恢复电路，输入交流电源接入直流变换电路，向本安输出端负载接入本安电源，其输出电压为18.5V，输出电流为1.5A，输出功率不小于30W。本发明高输出功率的本质安全型电源的优点和积极效果在于：对短路、碰触等产生的火花放电或在负载重到一定程度时，电路可以快速检测、快速保护，切断电路功率输出，快速消除火花。该装置符合GB3836.4的要求，恒流工作，便于应用于LED照明灯的驱动，并在非正常状态消除后，电路可自动解除保护，恢复正常工作，其电路结构简单，成本低廉。

Description

高输出功率的本质安全型电源

技术领域

本发明涉及电源装置，特别涉及一种高输出功率的本质安全型电源。

背景技术

本质安全型电源是在煤矿、石油、化工等危险环境中各种各样的本安型设备使用的。所谓本质安全型，是防爆型式的一种，由国标GB3836.4规范。本质安全型电路的设计，就是把负载或规定的电路部位短路时产生的电火花的能量限制在一定范围内。除必须符合GB3836.4标准要求外，还须通过国家指定的防爆检验检测机构进行的本安电路火花点燃实验。

目前国内本质安全电源的最大输出功率一般在18W左右。传统设计技术着眼于电路输出功率的限制，也即将限制电路输出电流作为电路符合本安性能的主要手段。18V本安电源在煤矿等防爆场合使用的最为广泛，就这一电源来说，八十年代初，在原煤炭部下属多个研究机构的共同努力下，设计出来的电路最高输出电流约700mA。经过技术人员多年的不懈努力，目前最高水平可达到1.0A，也即18W左右。这形成了目前本安电源(18V左右时)的最大输出功率的瓶颈，不能突破这一功率瓶颈，则无法适应设备对提高本安电源输出容量的要求。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺陷，提供一种高输出功率的本质安全型电源，输出功率不小于30W，可以明显减小故障火花能量，电路结构简单，成本低廉。

为达到上述目的，本发明提供的高输出功率的本质安全型电源，包括直流变换电路、过压保护电路、过流保护电路和本安输出端负载，输入交流电源接入所述直流变换电路，向所述本安输出端负载接入本安电源，还包括重载慢保护电路、重载快保护电路、恒流电路和恢复电路，其中：

所述重载慢保护电路包括调整管、PNP慢开关三极管、第三电阻和NPN三极管，所述NPN三极管的发射极与所述调整管的漏极相连，所述NPN三极管的集电极与所述调整管的栅极相连，所述NPN三极管的基极经所述第三电阻与所述PNP慢开关三极管的集电极相连，所述PNP慢开关三极管的发射极经相互正向串联的延时电容和二极管接至所述直流变换电路的18.5V输出线，所述PNP慢开关三极管的基极接入13VZ电压；

所述恒流电路采用恒流管构成，所述恒流管的正极接于所述直流变换电路的18.5V输出线，所述恒流管的负极接于所述直流变换电路的0V输出线；

所述重载快保护电路包括调整管、PNP快开关三极管、第三电阻、NPN三极管、所述延时电容和二极管，所述PNP快开关三极管的发射极与所述PNP慢开关三极管的发射极相连，所述PNP快开关三极管的集电极与所述PNP慢开关三极管的集电极相连，所述PNP快开关三极管的基极接至所述延时电容与所述二极管的连接点；

所述恢复电路包括PNP复位三极管，所述PNP复位三极管的集电极与所述延时电容的正极相连，所述PNP复位三极管的发射极与所述延时电容的负极相连，所述PNP复位三极管的基极与所述PNP快开关三极管的发射极相连，同时与所述恒流电路和所述本安输出端负载的连接点相连。

本发明高输出功率的本质安全型电源，其中所述过压保护电路包括可控硅、稳压管和第一电阻，所述可控硅的正极接于所述直流变换电路的18.5V输出线，所述可控硅的负极接于所述直流变换电路的0V输出线，所述稳压管的正极接于所述直流变换电路的18.5V输出线，所述稳压管的负极接于所述可控硅的控制极，所述第一电阻接于所述可控硅的控制极与所述直流变换电路的0V输出线之间。

本发明高输出功率的本质安全型电源，其中所述过流保护电路包括取样电阻、比较放大电路、第二电阻和调整管，所述取样电阻和所述调整管串联接至所述本安输出端负载的回路中，所述比较放大电路的正向输入端接至所述取样电阻的高电位端，所述比较放大电路的负向输入端接至所述取样电阻的低电位端，所述比较放大电路的输出端接至所述调整管的栅极，所述第二电阻接于所述直流变换电路的18.5V输出线与所述调整管的栅极之间。

本发明高输出功率的本质安全型电源，其中所述过压保护电路、过流保护电路、重载慢保护电路、重载快保护电路、恒流电路和恢复电路分别至少设有2套，另一过压保护电路的结构与所述过压保护电路相同；另一过流保护电路的结构与所述过流保护电路相同；另一重载慢保护电路的结构与所述重载慢保护电路相同；另一重载快保护电路的结构与所述重载快保护电路相同；另一重恢复电路的结构与所述恢复电路相同。

本发明高输出功率的本质安全型电源，其中所述恒流管的恒流值为15mA。

本发明高输出功率的本质安全型电源，其中所述直流变换电路输入电压为127V，输出电压为18.5V，输出电流为1.5A。

本发明高输出功率的本质安全型电源的优点和积极效果在于：由于设置了重载慢保护电路、重载快保护电路、恒流电路和恢复电路，可以明显减小故障火花能量，对短路、碰触等产生的火花放电或在负载重到一定程度时，电路可以快速检测、快速保护，切断电路功率输出，快速消除火花。该装置符合GB3836.4的要求，恒流工作，便于应用于LED照明灯的驱动，并在非正常状态消除后，电路可自动解除保护，恢复正常工作，提供了一种高输出功率的本质安全型电源，输出功率不小于30W，电路结构简单，成本低廉。

进一步设置了过压保护电路、过流保护电路，也减小了故障时电路输出火花能量，从而进一步提高本安电源的输出容量，电路结构简单，成本也低廉。

下面将结合实施例参照附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明高输出功率的本质安全型电源的电路原理图。

具体实施方式

从根本上说，电源电路在短路时产生的电火花能量取决于两点：电路的输出功率和其作用的时间。所以，本质安全型电路的设计，就是在限制电路输出功率和减小火花放电持续时间上打开突破点。适应设备对提高本安电源输出容量的要求，例如，使本质安全电源的最大输出功率达到30W，只能着眼于限制火花能量的第二个因素，即限制火花的作用时间。

参照图1，本发明高输出功率的本质安全型电源由直流变换电路10、过压保护电路11、过流保护电路12、重载慢保护电路13、重载快保护电路14、恢复电路15、恒流电路16和本安输出端负载17组成，输入交流电源接入直流变换电路10，本安输出端负载17接入本安电源。

图1中的直流变换电路10为已知技术中，直流变换电路10输入电压为127V，输出电压为18.5V，输出电流为1.5A。

图1中的恒流电路16为已知技术，采用15mA恒流管DL构成。恒流管DL的正极接于直流变换电路10的18.5V输出线，恒流管DL的负极接于直流变换电路10的0V输出线。

参照图1，在本发明高输出功率的本质安全型电源的电路原理图中：

一、过压保护电路11

过压保护电路11包括可控硅Q3、稳压管D1和第一电阻R8，可控硅Q3的正极接于直流变换电路10的18.5V输出线，可控硅Q3的负极接于直流变换电路10的0V输出线，稳压管D1的正极接于直流变换电路10的18.5V输出线，稳压管D1的负极接于可控硅Q3的控制极，第一电阻R8接于可控硅Q3的控制极与直流变换电路10的0V输出线之间。

另一过压保护电路11′的结构形式和原理与过压保护电路11相同，构成双重化过压保护电路。

二、过流保护电路12

过流保护电路12包括取样电阻R0、比较放大电路B1、第二电阻R106和调整管Q103，取样电阻R10和调整管Q103串联接至本安输出端负载17的回路中，比较放大电路B1的正向输入端接至取样电阻R10的高电位端，比较放大电路B1的负向输入端接至取样电阻R10的低电位端，比较放大电路B1的输出端接至调整管Q103的栅极，第二电阻R106接于直流变换电路10的18.5V输出线与调整管Q103的栅极之间。

另一过流保护电路12′的结构形式和原理与过流保护电路12相同，构成双重化过流保护电路。

三、重载慢保护电路13

重载慢保护电路13包括调整管Q103、PNP慢开关三极管Q101、第三电阻R102和NPN三极管Q104，NPN三极管Q104的发射极与调整管Q103的漏极相连，NPN三极管Q104的集电极与调整管Q103的栅极相连，NPN三极管Q104的基极经第三电阻R102与PNP慢开关三极管Q101的集电极相连，PNP慢开关三极管Q101的发射极经相互正向串联的延时电容C101和二极管D101接至直流变换电路10的18.5V输出线，PNP慢开关三极管Q101的基极接入13VZ电压。

另一重载慢保护电路13′的结构形式和原理与重载慢保护电路13相同，构成双重化重载慢保护电路。

四、重载快保护电路14

重载快保护电路14包括调整管Q103、PNP快开关三极管Q102、第三电阻R102、NPN三极管Q104、延时电容C101和二极管D101，PNP快开关三极管Q102的发射极与PNP慢开关三极管Q101的发射极相连，PNP快开关三极管Q102的集电极与PNP慢开关三极管Q101的集电极相连，PNP快开关三极管Q102的基极接至延时电容C101与二极管D101的连接点。

另一重载快保护电路14′的结构形式和原理与重载快保护电路14相同，构成双重化重载快保护电路。

五、恢复电路15

恢复电路15包括PNP复位三极管Q105，PNP复位三极管Q105的集电极与延时电容C101的正极相连，PNP复位三极管Q105的发射极与延时电容C101的负极相连，PNP复位三极管Q105的基极与PNP快开关三极管Q102的发射极相连，同时与恒流电路16和本安输出端负载17的连接点相连。

另一重恢复电路15′的结构形式和原理与恢复电路15相同，构成双重化恢复电路。

下面结合附图详细说明本发明高输出功率的本质安全型电源的工作原理。

一、过压保护电路11

当某种原因造成直流变换电路10输出偏高达到18.5V时，可控硅Q3的控制极获得足够高的电压而导通，从而切断整个电路输出。

二、过流保护电路12

1.当负载电流小于1.5A电流时，取样电阻R0上的电压不够大，比较放大电路B1输出高电平，调整管Q103的栅极通过R106获得足够的栅压而饱和导通，负载获电。

2.当电流达到1.5A时，取样电阻R0上获得足够电压，比较放大电路B1的输出电平迅速降低，拉低了调整管Q103的栅极电压而使其进入放大状态，抬高其漏极电位，降低输出电压，从而抑制负载电流的增大。

三、重载慢保护电路13

当负载进一步加重时，使得调整管Q103的栅极电压进一步降低，其漏极电位继续上升，进而导致PNP慢开关三极管Q101导通，进而NPN三极管Q104导通，调整管Q103的栅极电压更加降低，进而加速调整管Q103漏极电位的抬高，电路进入正反馈状态，从而使得调整管Q103彻底截止。

四、重载快保护电路14

当电路正常工作时，输出电源通过二极管D101对延时电容C101充电，充电完成后二极管D101两端电压接近18.5V。

当出现负载突然加重或负载瞬间短路时，比较放大电路B 1首先做出反应，导致调整管Q103漏极电位急剧上升，也即PNP快开关三极管Q102的发射极电位急剧上升。由于延时电容C101没有放电通路，PNP快开关三极管Q102的基极电位基本保持不变。当调整管Q103漏极电位上升约0.7V时，PNP快开关三极管Q102导通，进而NPN三极管Q104导通，调整管Q103的栅极电压迅速降低而进入放大状态，当调整管Q103漏极电位上升到一定值时，PNP慢开关三极管Q101也导通，从而加快调整管Q103截止，瞬间切断功率输出。

五、恢复电路15

当调整管Q103漏极电位在上升约0.7V已使重载快保护动作的基础上，再上升约0.3V(二极管D101压降)时，放电复位三极管Q105导通，启动延时电容C101电荷被泻放，确保延时电容C101负端电压跟踪输出负电位(约低0.7V)，解除PNP快开关三极管Q102的保护状态使其截止，为短路状态解除后的再保护做好准备。

当电路脱离短路状态时，恒流管DL首先对延时电容C101充电，充电电压达到重载慢保护电压动作点以下时，PNP慢开关三极管Q101保护解除，转为截止状态，从而调整管Q103的保护解除，恢复正常工作状态。

本发明高输出功率的本质安全型电源，对短路、碰触等产生的火花放电或在负载重到一定程度时，电路可以快速检测、快速保护，切断电路功率输出，快速消除火花。该装置符合GB3836.4的要求，恒流工作，便于应用于LED照明灯的驱动，并在非正常状态消除后，电路可自动解除保护，恢复正常工作。2010年3月经上海电气防爆检验站火花点燃试验检验，该站出具的检验报告表明，在设备输出18.5V、1.5A时，试验合格。在实际试验中，输出电流达到1.6A甚至更高时，试验仍然合格。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计方案前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (6)

1.一种高输出功率的本质安全型电源，包括直流变换电路(10)、过压保护电路(11)、过流保护电路(12)和本安输出端负载(17)，输入交流电源接入所述直流变换电路(10)，向所述本安输出端负载(17)接入本安电源，其特征在于：还包括重载慢保护电路(13)、重载快保护电路(14)、恒流电路(16)和恢复电路(15)，其中：

所述重载慢保护电路(13)包括调整管(Q103)、PNP慢开关三极管(Q101)、第三电阻R102和NPN三极管(Q104)，所述NPN三极管(Q104)的发射极与所述调整管(Q103)的漏极相连，所述NPN三极管(Q104)的集电极与所述调整管(Q103)的栅极相连，所述NPN三极管(Q104)的基极经所述第三电阻(R102)与所述PNP慢开关三极管(Q101)的集电极相连，所述PNP慢开关三极管(Q101)的发射极经相互正向串联的延时电容(C101)和二极管(D101)接至所述直流变换电路(10)的18.5V输出线，所述PNP慢开关三极管(Q101)的基极接入13VZ电压；

所述恒流电路(16)采用恒流管(DL)构成，所述恒流管(DL)的正极接于所述直流变换电路(10)的18.5V输出线，所述恒流管(DL)的负极接于所述直流变换电路(10)的0V输出线；

所述重载快保护电路(14)包括调整管(Q103)、PNP快开关三极管(Q102)、第三电阻(R102)、NPN三极管(Q104)、所述延时电容(C101)和二极管(D101)，所述PNP快开关三极管(Q102)的发射极与所述PNP慢开关三极管(Q101)的发射极相连，所述PNP快开关三极管(Q102)的集电极与所述PNP慢开关三极管(Q101)的集电极相连，所述PNP快开关三极管(Q102)的基极接至所述延时电容(C101)与所述二极管(D101)的连接点；

所述恢复电路(15)包括PNP复位三极管(Q105)，所述PNP复位三极管(Q105)的集电极与所述延时电容(C101)的正极相连，所述PNP复位三极管(Q105)的发射极与所述延时电容(C101)的负极相连，所述PNP复位三极管(Q105)的基极与所述PNP快开关三极管(Q102)的发射极相连，同时与所述恒流电路(16)和所述本安输出端负载(17)的连接点相连。

2.根据权利要求1所述的高输出功率的本质安全型电源，其特征在于：其中所述过压保护电路(11)包括可控硅(Q3)、稳压管(D1)和第一电阻(R8)，所述可控硅(Q3)的正极接于所述直流变换电路(10)的18.5V输出线，所述可控硅(Q3)的负极接于所述直流变换电路(10)的0V输出线，所述稳压管(D1)的正极接于所述直流变换电路(10)的18.5V输出线，所述稳压管(D1)的负极接于所述可控硅(Q3)的控制极，所述第一电阻(R8)接于所述可控硅(Q3)的控制极与所述直流变换电路(10)的0V输出线之间。

3.根据权利要求1或2所述的高输出功率的本质安全型电源，其特征在于：其中所述过流保护电路(12)包括取样电阻(R0)、比较放大电路(B1)、第二电阻(R106)和调整管(Q103)，所述取样电阻(R0)和所述调整管(Q103)串联接至所述本安输出端负载(17)的回路中，所述比较放大电路(B1)的正向输入端接至所述取样电阻(R0)的高电位端，所述比较放大电路(B1)的负向输入端接至所述取样电阻(R0)的低电位端，所述比较放大电路(B1)的输出端接至所述调整管(Q103)的栅极，所述第二电阻(R106)接于所述直流变换电路(10)的18.5V输出线与所述调整管(Q103)的栅极之间。

4.根据权利要求3所述的高输出功率的本质安全型电源，其特征在于：其中所述过压保护电路(11)、过流保护电路(12)、重载慢保护电路(13)、重载快保护电路(14)、恒流电路(16)和恢复电路(15)分别至少设有2套，另一过压保护电路(11′)的结构与所述过压保护电路(11)相同；另一过流保护电路(12′)的结构与所述过流保护电路(12)相同；另一重载慢保护电路(13′)的结构与所述重载慢保护电路(13)相同；另一重载快保护电路(14′)的结构与所述重载快保护电路(14)相同；另一重恢复电路(15′)的结构与所述恢复电路(15)相同。

5.根据权利要求4所述的高输出功率的本质安全型电源，其特征在于：其中所述恒流管(DL)的恒流值为15mA。

6.根据权利要求5所述的高输出功率的本质安全型电源，其特征在于：其中所述直流变换电路(10)的输入电压为127V，输出电压为18.5V，输出电流为1.5A。

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