CN102695316A

CN102695316A - 矿灯本质安全电源串联限流电路

Info

Publication number: CN102695316A
Application number: CN2012101900535A
Authority: CN
Inventors: 李方儒; 车延武; 臧才运
Original assignee: FUSHUN MINER'S LAMP MANUFACTURING GENERAL PLANT
Current assignee: FUSHUN MINER'S LAMP MANUFACTURING GENERAL PLANT
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2032-06-11
Also published as: CN102695316B

Abstract

本发明公开了一种矿灯本质安全电源串联限流电路，它由集成电路IC1与二极管、电容、电阻构成DC/DC升压电路，给整个系统提供控制电源；集成电路IC2与电阻构成电压和电流的设定和比较控制电路；集成电路IC3与电阻、电容构成基准电源，给集成电路IC2的“+”输入端提供给定控制电压；电阻R1、R2构成电流采样电路，电阻R12、R13构成电压采样电路，分别给IC2的“-”输入端提供给定控制电压；场效应管FET2、FET3、FET4构成三级串联功率调整保护电路。本发明应用功率半导体器件和其他电子器件组成限流电路，实现在正常工作时，器件内阻保持最低，对负载的工作性能没有任何影响；当负载发生过流或短路故障时，器件内阻抗迅速提升，立即把故障电流限制在安全电流之内，使矿灯电源得到安全保护。

Description

矿灯本质安全电源串联限流电路

一、技术领域

本发明属于矿灯专用安全技术，具体涉及一种使矿灯电源得到安全保护的串联限流电路。

二、背景技术

目前我国矿灯采用矿灯保护器来保护矿灯在使用过程中所发生的短路或过流故障, 这种保护器在蓄电池放电的前半程，即电源回路内阻较小，故障电流较大时，能快速切断故障电流，保护作用突出；而当蓄电池放电到后半程，电源回路内阻较大，故障电流较小或故障短路点虚接时，则保护作用有限，甚至不能起到保护作用。如何消除安全隐患，将故障电流限制在安全电流以下，使矿灯电源达到本质安全标准，是矿灯设计的一个重要课题。本质安全矿灯是通过设计的手段，使矿灯自身具有安全性，即使误操作或矿灯自身发生故障也不会产生事故。目前国内没有本质安全型矿灯，处于空白状态；国外有本质安全型矿灯，据目前能够查到的资料和见到样品情况得知，国外的本安矿灯限流方式全部采用串联可靠电阻，即限流电阻，如果限流电阻值选定的较小，回路故障电流依然很大，起不到限流作用；如果限流电阻值选定的较大，限流电阻两端压降大，将直接影响光源的工作时间，为解决电阻存在压降问题，必须采取提高蓄电池容量的办法来袮补所存在的问题，这样存在矿灯体积大、蓄电池成本高等问题。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种矿灯本质安全电源串联限流电路，使用本发明电路能够使矿灯电源达到本质安全级别，同时不增加矿灯体积和蓄电池成本，也没有矿灯限流电阻存在的电流大、压降大的问题。

本发明采用的技术方案是：矿灯本质安全电源串联限流电路由集成电路IC1与二极管D1～D5、电容C1～C5、电阻R3构成DC/DC升压电路，给整个系统提供控制电源；集成电路IC2与电阻R8、W3、R9、R10、W1、R11、W2构成电压和电流的设定和比较控制电路；集成电路IC3与电阻R4、电容C6构成基准电源，给集成电路IC2的“+”输入端提供给定控制电压；电阻R1、R2构成电流采样电路，电阻R12、R13构成电压采样电路，分别给集成电路IC2的“-”输入端提供给定控制电压；场效应管FET2、FET3、FET4构成三级串联功率调整保护电路。当R2检测到的电流值大于IC2-1的5脚给定电流值时，IC2-1的1脚输出调控信号，第一级保护FET2处于功率调整状态使回路电流限定在给定值之内。如果FET2处于故障短路状态，当R2检测到的电流值大于IC2-2的7脚给定电流值时，IC2-2的2脚输出调控信号，第二、三级保护FET3、FET4处于功率调整状态使回路电流限定在给定值之内，即使FET2、FET3、FET4之中的任意两级同时出现短路故障，系统依然处于保护状态。

此外，电路还包括由场效应管FET1和集成电路IC2构成的限流和定压充电管理电路，当R1检测到的电流值大于IC2-3的11脚给定电流值时，IC2-3的13脚输出调控信号， FET1处于功率调整状态使回路电流限定在给定值之内；当R12、R13检测到的输出电压值大于IC2-4的9脚给定电压值时，IC2-4的14脚输出调控信号， FET1处于功率调整状态使电路输出电压稳定在给定值之内。

本发明电路为四端双向电路，A+、A-端连接LED光源负载，B+、B-连接充电电池。当外部电源处于给电池充电状态时，A+、A-是输入端，B+、B-是输出端，充电电流由电池的正极通过电池的内部流向负极；当LED光源工作时，电池处于放电状态， B+、B-是输入端，A+、A-是输出端，放电电流由电池的正极通过LED光源负载流向电池的负极。

1）LED光源正常工作状态电路工作原理分析

电池E工作在放电状态，此时：集成电路IC2-4控制输出端14脚输出高电平，集成电路IC2-3控制输出端13脚输出高电平，场效应管FET1全部导通；集成电路IC2-1、IC2-2控制输出端1脚、2脚全部输出高电平，场效应管FET2～4全部导通。回路正常工作电流由电池E的正极B+→FET1→A+→LED→A-→FET2→FET3→FET4→A采样→B-流回电池E的负极。

2）负载短路或过流状态电路工作原理分析

本发明电路具备三级保护功能，保护等级“ia”。集成电路IC2-1、IC2-2的输出控制端1脚、2脚分别接入FET2、3、4的输入控制端。当发生过流或短路故障时，故障电流的采样值与限定电流设定值输入到IC2-1、IC2-2进行比较处理后，首先通过IC2-1控制输出端1脚输出调控信号，对第一级保护FET2进行功率调控，使故障电流达到限定电流，其余两级此时处于导通待命状态；如果系统通过循环检测后发现，第一级保护FET2有故障，系统会立即给IC2-2输出端2脚发出指令，对第二级保护FET3进行功率调控；同理,第二级有故障启用第三级保护。回路故障电流由电池E的正极B+→FET1→A+→短路或过流故障点→A-→FET2→FET3→FET4→A采样→B-→流回电池E的负极。

本发明应用功率半导体器件和其他电子器件组成限流电路，实现在正常工作时，器件内阻保持最低，对负载的工作性能没有任何影响；当负载发生过流或短路故障时，器件内阻抗迅速提升，立即把故障电流限制在安全电流之内，使矿灯电源得到安全保护。

由功率场效应管输出特性曲线图可知，其输出特性曲线分为三个区域：可调电阻区

，饱和区

和雪崩区。可调电阻区

的漏极电流I_D与V_DS几乎成线性关系，当I_D随V_DS增加到某一值后，器件内的沟道被夹断，开始进入饱和区

，I_D趋于稳定不变。而继续增加V_DS,当漏极PN结发生雪崩击穿时漏极电流I_D突然剧增，进入雪崩区

，直至主器件损坏，在应用中应避免出现这种情况。

本发明限流电路充分利用功率MOSFET输出特性的可调电阻区的漏极电流I_D与V_DS几乎成线性关系的特性，实现器件内部阻抗调控，达到限流目的。在正常工作时，器件内阻保持最低，对负载的工作性能没有任何影响；当负载发生短路故障时，器件内阻抗迅速提升的同时，短路电流限制到最低。

四、附图说明

图1为功率MOSFET输出特性曲线图；

图2为本发明限流电路原理图。

五、具体实施方式

本发明电路由功率场效应管FET1、FET2、FET3、FET4与集成电路IC1、IC2、IC3及阻容元件组成。

集成电路IC1为555时基电路，8脚封装，其1脚接地，2脚、6脚连接后与电容C5、电阻R3相连，3脚与电容C1、C3和R3的另一端相连，4脚、8脚连接后与外电源A+相连，5脚空置。

集成电路IC2为339四电压比较器，14脚封装，其1脚与场效应管FET2的控制极相连，2脚分别与场效应管FET3、FET4的控制极相连，3脚接工作电源正极，4脚、6脚连接后与电流采样电阻R2相连，5脚和7脚分别与电阻R8、W3和R9、R10组成的电流给定电路相连，8脚与电阻R12、R13组成的电压采样电路相连，9脚与充电电压给定可调电阻W1相连，10脚与电流采样电阻R1相连，11脚与电阻R11、W2组成的充电电流给定电路相连，12脚接工作电源负极，13脚、14脚与场效应管FET1的控制极相连。

集成电路IC3为385电压基准，8脚封装，其4脚接工作电源负极，8脚与电阻R4、电容C6相连构成基准电压输出端Vj，其余引脚空置。

主要技术参数确定

1）最小限定电流I_XL（MIN）

故障时，回路电流限制的愈小，电池愈安全，但是由本发明限流电路结构原理决定，当电路设定的限定电流I_XL低于LED光源的正向电流Iab时，往往会影响LED光源的工作质量。因此，正确选择优质的LED光源，是将电路限定电流I_XL值设定最低的关键。

目前随着半导体光源技术的快速发展，LED光源发光效率逐步提高，驱动电流逐渐下降，以1W的LED光源为例，驱动电流（正向电流Iab）值在150-200mA时，光通量能达到80-120Lm。因此,最小限定电流值应确定为: I_XL（MIN）=200mA。

2）限流电路压降U_BA

光源正常工作时，限流电路压降的高低直接影响光源的工作质量，压降高点灯时间缩短，压降低点灯时间相对延长。影响电路压降高低的主要因素是由功率场效应管MOSFET的导通电阻R_DS（ON）大小决定的，选择较低导通电阻R_DS（ON）值的MOSFET，是降低电路压降U_BA的关键。根据目前MOSFET市场实际情况，选择R_DS（ON）≤10mΩ；LED光源正向电流Iab最大值为200mA时，较为理想的电路压降值，按公式（1）计算确定。

U_BA = U_B-U_A ≤20mV-------------------------（1）

式中：U_BA ------------限流电路压降（mV）；

U_B -------------限流电路输入端电压（mV）；

U_A -------------限流电路输出端电压（mV）。

本电路使用三只功率场效应管MOSFET器件串联组成串联限流电路。该限流电路具备三重保护能力，集中控制，如果限流电路内三只功率器件之中的任意两只同时发生故障，其余的一只可以照常调控和限制由于外部电路故障所发生的功率变化，使系统安全可靠，保护等级达到“ia”。同时具备在矿灯正常放电工作时，电路压降低（小于20mV）；在矿灯发生过流或短路故障时，回路故障电流小（200mA）等突出特点。此外，限流电路还附加了恒流、恒压充电管理功能。

矿灯是煤矿井下工作人员人手必备和用量最多的小型电器设备。据行业内统计数据表明，国内年需求量在200万盏左右。加装本发明产品的矿灯，由目前的防爆特殊型（ExsI）提升到本质安全型（ExiaI），对我国煤矿安全生产具有重要意义。

Claims

1.一种矿灯本质安全电源串联限流电路，其特征是：它由集成电路（IC1）与二极管（D1～D5）、电容（C1～C5）、电阻（R3）构成DC/DC升压电路，给整个系统提供控制电源；集成电路（IC2）与电阻（R8、W3、R9、R10、W1、R11、W2）构成电压和电流的设定和比较控制电路；集成电路（IC3）与电阻（R4）、电容（C6）构成基准电源，给集成电路（IC2）的“+”输入端提供给定控制电压；电阻（R1、R2）构成电流采样电路，电阻（R12、R13）构成电压采样电路，分别给集成电路（IC2）的“-”输入端提供给定控制电压；场效应管（FET2、FET3、FET4）构成三级串联功率调整保护电路。

2.根据权利要求1所述的矿灯本质安全电源串联限流电路，其特征是：它还包括由场效应管（FET1）和集成电路（IC2）构成的限流和定压充电管理电路。

3.根据权利要求1所述的矿灯本质安全电源串联限流电路，其特征是：本发明电路由功率场效应管（FET1、FET2、FET3、FET4）与集成电路（IC1、IC2、IC3）及阻容元件组成，集成电路（IC1）为555时基电路，8脚封装，其1脚接地，2脚、6脚连接后与电容（C5）、电阻（R3）相连，3脚与电容（C1、C3）和电阻（R3）的另一端相连，4脚、8脚连接后与外电源A+相连，5脚空置；集成电路（IC2）为339四电压比较器，14脚封装，其1脚与场效应管（FET2）的控制极相连，2脚分别与场效应管（FET3、FET4）的控制极相连，3脚接工作电源正极，4脚、6脚连接后与电流采样电阻（R2）相连，5脚和7脚分别与电阻（R8、W3）和（R9、R10）组成的电流给定电路相连，8脚与电阻（R12、R13）组成的电压采样电路相连，9脚与充电电压给定可调电阻（W1）相连，10脚与电流采样电阻（R1）相连，11脚与电阻（R11、W2）组成的充电电流给定电路相连，12脚接工作电源负极，13脚、14脚与场效应管（FET1）的控制极相连；集成电路（IC3）为385电压基准，8脚封装，其4脚接工作电源负极，8脚与电阻（R4）、电容（C6）相连构成基准电压输出端Vj，其余引脚空置。