CN102938559A - 一种本质安全型电源的电火花限制装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种本质安全型电源的电火花限制装置和方法,所述装置包括:电流检测及电流突变限制模块,串联接在负载回路中,提供检测电压,限制电流突变;预设电压提供模块,提供预设电压;电压比较模块,与电流检测及电流突变限制模块和预设电压提供模块相连接,用于产生控制信号;反馈电路模块,与电流检测及电流突变限制模块和保护电路模块相连接,用于产生反馈控制信号;保护电路模块,与电压比较模块和反馈电路模块相连接,控制是否将保护电阻与串联接在电路中。本发明通过增加负载回路的电阻,使得当电源电流过大时,能够迅速地限制电流,也解决了限流电路响应速度不够的问题。且过流时间只有几个或者几十个纳秒,从而提高了防爆特性。

Description

一种本质安全型电源的电火花限制装置和方法
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域,尤其涉及一种适合使用在矿用电源上的本质安全型电源电火花限制装置和方法。
背景技术
目前,我国本质安全型(简称本安)的防爆电气产品的需求越来越大,同时要求这些产品在规定的试验条件下,其电路所产生的电火花不能点燃规定的爆炸性气体混合物。对于电气设备来讲,电源部分的本安特性非常重要,它是整个设备的能源核心,同时又是电气设备产生电火花的根源。而电火花的本质在于两点:一是电压;二是电流。电压越高,产生的电火花越大;同样,电流越大,产生的电火花也越大。
由于电气设备的供电特性,电压基本不能改变,所以在电火花试验中,我们需要尽可能地限制火花放电中的电流,将电火花电流限制在稍高于设备的最高工作电流以内。由于电火花试验中的火花放电时间非常短,几乎是纳秒级别的,一般电流限制电路的响应速度远远不够,所以,在不采用本发明的技术方案的情况下,现有的普通电流限制电路在本安试验中是很难通过试验,达到本安电路的要求。
发明内容
本发明提供了一种本质安全型电源的电火花限制装置和方法,能够迅速地限制电源的电流,过流时间只有几个或者几十个纳秒。整个电路不需要高速的运算放大器,在各种实验条件下均能很好地抑制电火花的产生,具有很好的防爆特性。所述技术方案如下:
一种本质安全型电源的电火花限制装置,包括:
电源正极输入端、电源负极输入端、正极输出端和负极输出端,所述电源正极输入端和外接电源的正极相连,所述电源负极输入端与外接电源的地线相连,所述正极输出端和负极输出端之间连接外接负载;
电流检测及电流突变限制模块,连接在所述电源正极输入端与所述正极输出端之间,用于对电源电流取样并转换成电压信号,提供检测电压,还用于限制电源电流的突变;
预设电压提供模块,与所述电源正极输入端和地线相连接,用于提供预设电压,该预设电压对应于电源的安全阈值电流;
电压比较模块,分别与所述电流检测及电流突变限制模块和所述预设电压提供模块相连接,用于产生控制信号;
反馈电路模块,分别与所述电流检测及电流突变限制模块和保护电路模块相连接,还与所述负极输出端相连接,用于产生反馈控制信号;
保护电路模块,分别与所述电压比较模块和所述反馈电路模块相连接,还与所述负极输出端相连接,根据所述控制信号和反馈控制信号来控制是否增加整个回路的电阻。
进一步的,所述电流检测及电流突变限制模块包括采样电阻和电感,所述采样电阻和所述电感相串联。
进一步的,所述电感为差模电感。
进一步的,所述电压比较模块进一步包括:
第一分压电阻和第二分压电阻,所述第一分压电阻和第二分压电阻相串联,连接在所述正极输出端和所述电源负极输入端之间,所述第一分压电阻和第二分压电阻的连接点作为第一采样电压输出端,用于对检测电压分压,提高采样电压一;
第一电压比较器,用于比较所述采样电压一和所述预设电压的大小,输出比较的结果作为控制信号;
充电二极管、放电二极管和电容,所述充电二极管的阳极与所述第一采样电压输出端相连接,阴极与所述电容相连接,同时与所述放电二极管的阳极相连接,所述放电二极管的阴极与所述电源正极输入端相连接,所述电容的另一端与所述第一电压比较器的输出端相连接,所述充电二极管、放电二极管和电容组成的部分,用于防止第一电压比较器的输出抖动。
进一步的,所述反馈电路模块进一步包括:
第三分压电阻和第四分压电阻,所述第三分压电阻和第四分压电阻相串联,连接在所述正极输出端和所述电源负极输入端之间,用于对检测电压分压,提高采样电压二;
第二电压比较器,用于比较所述负极输出端对地的电压和所述采样电压二的大小,输出比较的结果作为反馈控制信号。
进一步的,所述保护电路模块包括:
保护电阻,一端与所述负极输出端相连接,另一端接地;
第五分压电阻和第六分压电阻,所述第五分压电阻一端与所述第一电压比较器的输出端相连接,另一端作为分压点与第六分压电阻相连接,所述第六分压电阻另一端接地;
第一开关器件,所述第一开关器件的控制端与所述第一电压比较器的输出端相连接,所述第一开关器件的输入端与所述分压点相连,所述第一开关器件的输出端接地;
第二开关器件,所述第二开关器件的控制端与所述第一开关器件的输入端相连,所述第二开关器件的输入端连接所述负极输出端,所述第二开关器件的输出端接地;
第一二极管,正极与所述第二开关器件的控制端相连,负极与所述第二电压比较器的输出端相连接;
其中,所述第一开关器件和所述第一二极管根据所述控制信号和所述反馈控制信号控制所述第二开关器件的导通与关断,从而控制是否将保护电阻与负载相串联,接入电路中。
进一步的,所述开关器件采用晶体管。
进一步的,所述第一开关器件为PNP型三极管,所述第二开关器件为N沟道的场效应管。
一种本质安全型电源的电火花限制方法,包括:
对电源电流采样,转换成电压信号,得到采样电压;
提供预设电压,所述预设电压对应于电源的安全阈值电流,作为是否需要增加内部负载的阈值电压;
比较所述采样电压和所述预设电压的大小,将比较结果作为控制信号;
比较所述采样电压和电路负极输出端对地的电压的大小,将比较结果作为反馈控制信号;
根据所述控制信号和所述反馈控制信号,控制是否将保护电阻作为内部负载,与外部负载串联接入电路中,以增大整个回路的电阻;
其中,所述控制信号和所述反馈控制信号包括高电平、低电平两种状态。
进一步的,所述“根据所述控制信号和所述反馈控制信号,控制是否将保护电阻作为内部负载,与外部负载串联接入电路中,以增大整个回路的电阻”进一步包括所述控制信号和所述反馈控制信号,使开关器件导通或断开,从而控制是否将保护电阻与外部负载串联接入电路中。
本发明提供的技术方案,通过增加负载回路的电阻,使得当电源电流过大时,能够迅速地限制电流,也解决了限流电路响应速度不够的问题。且过流时间只有几个或者几十个纳秒,从而提高了防爆特性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的本质安全型电源的电火花限制装置系统功能模块框图;
图2是本发明实施例提供的本质安全型电源的电火花限制装置电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例,仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。
实施例
图1是本发明实施例提供的本质安全型电源的电火花限制装置系统功能模块框图。本实施例提供了一种本质安全型电源的电火花限制装置,如图1所示,该装置包括:电流检测及电流突变限制模块101、预设电压提供模块102、电压比较模块103、反馈电路模块104和保护电路模块105,以及电源正极输入端、电源负极输入端、正极输出端和负极输出端。其中,电源正极输入端和外接电源的正极相连,电源负极输入端与外接电源的地线相连,正极输出端和负极输出端之间连接外接负载。
电流检测及电流突变限制模块101,连接在电源正极输入端与正极输出端之间,用于对电源电流取样并转换成电压信号,提供检测电压,还用于限制电源电流的突变。预设电压提供模块102,与电源正极输入端和地线相连接,用于提供预设电压,该预设电压对应于电源的安全阈值电流。电压比较模块103,分别与电流检测及电流突变限制模块和预设电压提供模块相连接,用于产生控制信号。反馈电路模块104,分别与电流检测及电流突变限制模块和保护电路模块相连接,还与负极输出端相连接,用于产生反馈控制信号。保护电路模块105,分别与电压比较模块和反馈电路模块相连接,还与负极输出端相连接,根据控制信号和反馈控制信号来控制是否将保护电阻作为内部负载与外部负载串联,接在电路中,以增加整个回路的电阻。
其中,电流检测及电流突变限制模块101进一步包括采样电阻和电感,采样电阻和电感相串联,并且电感为差模电感。
电压比较模块103进一步包括:
第一分压电阻和第二分压电阻,第一分压电阻和第二分压电阻相串联,连接在正极输出端和电源负极输入端之间,第一分压电阻和第二分压电阻的连接点作为第一采样电压输出端,用于对检测电压分压,提高采样电压一;
第一电压比较器,用于比较采样电压一和预设电压的大小,输出比较的结果作为控制信号。
充电二极管、放电二极管和电容,充电二极管的阳极与第一采样电压输出端相连接,阴极与电容相连接,同时与放电二极管的阳极相连接,放电二极管的阴极与电源正极输入端相连接,电容的另一端与第一电压比较器的输出端相连接,充电二极管、放电二极管和电容组成的部分,用于防止第一电压比较器的输出抖动。
反馈电路模块104进一步包括:
第三分压电阻和第四分压电阻,所述第三分压电阻和第四分压电阻相串联,连接在所述正极输出端和所述电源负极输入端之间,用于对检测电压分压,提高采样电压二;
第二电压比较器,用于比较负极输出端对地的电压和采样电压二的大小,输出比较的结果作为反馈控制信号。
保护电路模块105进一步包括:
保护电阻,一端与负极输出端相连接,另一端接地;第五分压电阻和第六分压电阻,第五分压电阻一端与第一电压比较器的输出端相连接,另一端作为分压点与第六分压电阻相连接,第六分压电阻另一端接地;第一开关器件,其控制端与第一电压比较器的输出端相连接,输入端与分压点相连,输出端接地;第二开关器件,其控制端与第一开关器件的输入端相连,输入端连接负极输出端,输出端接地;第一二极管,正极与第二开关器件的控制端相连,负极与第二电压比较器的输出端相连接。其中,第一开关器件和第一二极管根据控制信号和反馈控制信号控制第二开关器件的导通与关断,从而控制是否将保护电阻与负载相串联,接入电路中。
进一步,开关器件采用晶体管,其中,第一开关器件为PNP型三极管,第二开关器件为N沟道的场效应管。
本实施例的基本原理为:首先,通过采样电阻对电源电流采样,并转换成电压信号,得到采样电压。设置预设电压,使预设电压对应于电源的安全阈值电流,将预设电压作为是否需要增加内部负载的阈值电压。比较采样电压和预设电压的大小,将比较结果作为控制信号;比较采样电压和电路负极输出端对地的电压的大小,将比较结果作为反馈控制信号。其中,控制信号和反馈控制信号包括高电平、低电平两种状态,这两个控制信号使开关器件导通或断开。从而控制是否将保护电阻作为内部负载,与外部负载串联接入电路中,以增大整个回路的电阻。
当外部负载电阻过小,导致电流过大时,控制信号会启动保护电路将保护电阻与外部负载串联接入电路中,以增大整个回路的电阻,减小电流。而反馈控制信号又使保护电路维持将保护电阻与外部负载串联接入电路。
当外部负载电阻再次增大,电流减小到一定程度,控制信号及反馈控制信号启动保护电路,断开保护电阻与外部负载的连接,将负极输出端直接接地。
另外,电感可以限制电流的突变,避免电流突然过大时,瞬间对电路造成的损坏。
图2是本发明实施例提供的本质安全型电源的电火花限制装置电路示意图。如图2所示:电源正极输入端Vin与外接电源的正极相连,电源负极输入端接地。正极输出端Vout+和负极输出端Vout-直接连接外接的负载。
采样电阻R1和差模电感L1构成电流检测及电流突变限制电路,采样电阻R1和差模电感L1相串联,然后连在电源正极输入端Vin与正极输出端Vout+之间,流过采样电阻R1的电流与流过电源和外接负载的电流均相同,采样电阻R1两端的电压与负载回路的电流成正比,所以,可以利用采样电阻R1电压较低的一端作为采样点,以提供检测电压。
电阻R2和电阻R3构成预设电压提供电路,两电阻相串联,连接在电源正极输入端Vin和地线之间,对电源电压分压,提供预设电压,可根据具体情况设定电阻R2和电阻R3的阻值,使预设电压对应于电源的安全阈值电流。
电阻R4、电阻R5、二极管D1、二极管D2、电容C1和电压比较器A1A构成电压比较电路,电阻R4和电阻R5相串联,接在电流采样点与地线之间,起到分压的作用,将分压点与电压比较器A1A的同相输入端相连,电压比较器A1A的反相输入端输入预设电压。将电压比较器A1A的输出端所得的信号作为控制信号。另外,二极管D2的正极与电压比较器A1A的同相输入端相连,负极与电容C1相连,电容C1的另一端与电压比较器A1A的输出端相连,二极管D1正极与二极管D2的负极相连,负极与电源正极输入端Vin相连。其中,在一定条件下,可通过二极管D2给电容C1充电,通过二极管D1给电容C1放电。
电阻R10、电阻R11和电压比较器A1B构成反馈电路,电阻R10和电阻R11串联,一端接电流采样点,另一端接地。这两个电阻起到分压的作用,分压点与电压比较器A1B的同相输入端相连,电压比较器A1B的反相输入端与负极输出端Vout-相连。将电压比较器A1B的输出端所得的信号作为反馈控制信号。
电阻R6、电阻R7、电阻R8、保护电阻R9、三极管Q2、场效应管Q1和二极管D3构成保护电路。其中场效应管Q1采用N沟道的场效应管,三极管Q2采用PNP型三极管。电阻R7和电阻R8串联接在电压比较器A1A的输出端和地线之间,起到分压的作用,分压点通过电阻R6与三极管Q2的发射极相连,三极管Q2的基极与电压比较器A1A的输出端相连,集电极接地。场效应管Q1的栅极与三极管Q2的发射极相连,漏极与负极输出端Vout-相连,源极接地。二极管D3的正极连接场效应管Q1的栅极,负极与电压比较器A1B的输出相连。保护电阻R9连接在负极输出端Vout-与地线之间。
其中,电压比较器A1A输出的控制信号为低电平时,三极管Q2导通,不管电压比较器A1B的输出信号是高电平不管电压比较器A1B的输出信号是高电平还是低电平场,场效应管Q1的栅极所接入的电压始终为零,场效应管Q1截止,保护电阻R9被串联的接入电路。
电压比较器A1A输出的控制信号为高电平时,三极管Q2截止,由于二极管D3的限制,根据电压比较器A1B的输出信号,场效应管Q1的栅极所接入的电压可能大于零,这时场效应管Q1导通,保护电阻R9的两端短路,负极输出端Vout-直接接地。场效应管Q1的栅极所接入的电压也可能为零,场效应管Q1截止,保护电阻R9仍被串联的接入电路。
具体的,本实施例提供的电路在工作时的原理为:
当外部负载足够大时,电流较小,这时采样电压大于预设电压,电压比较电路输出的控制信号为高电平,这时三极管Q2截止,场效应管Q1导通,保护电阻R9的两端短路,负极输出端Vout-直接接地。
当外部负载瞬间变小时,由于流过电感L1的电流不能瞬间突变,因此输出电流不会迅速变大,电感L1起到了限流的作用。当电流增大到阈值电流时,采样电压小于预设电压,电压比较电路输出的控制信号变为低电平,这时二极管D2导通,电容C1充电,充电电流增加了电阻R4两端的电压差,使采样电压更小,电压比较电路输出的控制信号更容易维持低电平,这是为了防止电流在电流阈值点来回摆动时,导致电压比较电路输出的控制信号来回变动。低电平的控制信号使三极管Q2导通,场效应管Q1截止,保护电阻R9被串联的接入电路。从而增大了整个输出回路的电阻,减小了电流,抑制了电火花的形成。这时二极管D3导通。
由于电流减小,采样电压再次大于预设电压,电压比较电路输出的控制信号再次为高电平,三极管Q2截止,但由于反馈电路的电压比较器输出仍然为低电平,二极管D3仍然导通,所以场效应管Q1仍然截止,因此保护电阻R9继续维持被串联的接入电路。
当外部负载变得足够大时,电流继续变小,采样电压增大,当采样电压足够大时,反馈电路的电压比较器输出的信号变为高电平,二极管D3截止,场效应管Q1导通,使保护电阻R9的两端短路,负极输出端Vout-再次直接接地。
本发明提供的技术方案,通过增加负载回路的电阻,使得当电源电流过大时,能够迅速地限制电流,也解决了限流电路响应速度不够的问题。且过流时间只有几个或者几十个纳秒,从而提高了防爆特性。
以上仅是针对本发明的优选实施例及其技术原理所做的说明,而并非对本发明的技术内容所进行的限制,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的技术范围内,所容易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种本质安全型电源的电火花限制装置,包括:
电源正极输入端、电源负极输入端、正极输出端和负极输出端,所述电源正极输入端和外接电源的正极相连,所述电源负极输入端与外接电源的地线相连,所述正极输出端和负极输出端之间连接外接负载;
电流检测及电流突变限制模块,连接在所述电源正极输入端与所述正极输出端之间,用于对电源电流取样并转换成电压信号,提供检测电压,还用于限制电源电流的突变;
预设电压提供模块,与所述电源正极输入端和地线相连接,用于提供预设电压,该预设电压对应于电源的安全阈值电流;
电压比较模块,分别与所述电流检测及电流突变限制模块和所述预设电压提供模块相连接,用于产生控制信号;
反馈电路模块,分别与所述电流检测及电流突变限制模块和保护电路模块相连接,还与所述负极输出端相连接,用于产生反馈控制信号;
保护电路模块,分别与所述电压比较模块和所述反馈电路模块相连接,还与所述负极输出端相连接,根据所述控制信号和反馈控制信号来控制是否增加整个回路的电阻。
2.根据权利要求1所述的本质安全型电源的电火花限制装置,其特征在于,所述电流检测及电流突变限制模块包括采样电阻和电感,所述采样电阻和所述电感相串联。
3.根据权利要求2所述的本质安全型电源的电火花限制装置,其特征在于,所述电感为差模电感。
4.根据权利要求1所述的本质安全型电源的电火花限制装置,其特征在于,所述电压比较模块进一步包括:
第一分压电阻和第二分压电阻,所述第一分压电阻和第二分压电阻相串联,连接在所述正极输出端和所述电源负极输入端之间,所述第一分压电阻和第二分压电阻的连接点作为第一采样电压输出端,用于对检测电压分压,提高采样电压一;
第一电压比较器,用于比较所述采样电压一和所述预设电压的大小,输出比较的结果作为控制信号;
充电二极管、放电二极管和电容,所述充电二极管的阳极与所述第一采样电压输出端相连接,阴极与所述电容相连接,同时与所述放电二极管的阳极相连接,所述放电二极管的阴极与所述电源正极输入端相连接,所述电容的另一端与所述第一电压比较器的输出端相连接,所述充电二极管、放电二极管和电容组成的部分,用于防止第一电压比较器的输出抖动。
5.根据权利要求1所述的本质安全型电源的电火花限制装置,其特征在于,所述反馈电路模块进一步包括:
第三分压电阻和第四分压电阻,所述第三分压电阻和第四分压电阻相串联,连接在所述正极输出端和所述电源负极输入端之间,用于对检测电压分压,提高采样电压二;
第二电压比较器,用于比较所述负极输出端对地的电压和所述采样电压二的大小,输出比较的结果作为反馈控制信号。
6.根据权利要求1所述的本质安全型电源的电火花限制装置,其特征在于,所述保护电路模块包括:
保护电阻,一端与所述负极输出端相连接,另一端接地;
第五分压电阻和第六分压电阻,所述第五分压电阻一端与所述第一电压比较器的输出端相连接,另一端作为分压点与第六分压电阻相连接,所述第六分压电阻另一端接地;
第一开关器件,所述第一开关器件的控制端与所述第一电压比较器的输出端相连接,所述第一开关器件的输入端与所述分压点相连,所述第一开关器件的输出端接地;
第二开关器件,所述第二开关器件的控制端与所述第一开关器件的输入端相连,所述第二开关器件的输入端连接所述负极输出端,所述第二开关器件的输出端接地;
第一二极管,正极与所述第二开关器件的控制端相连,负极与所述第二电压比较器的输出端相连接;
其中,所述第一开关器件和所述第一二极管根据所述控制信号和所述反馈控制信号控制所述第二开关器件的导通与关断,从而控制是否将保护电阻与负载相串联,接入电路中。
7.根据权利要求6所述的本质安全型电源的电火花限制装置,其特征在于,所述开关器件采用晶体管。
8.根据权利要求6-7中任意一个所述的本质安全型电源的电火花限制装置,其特征在于,所述第一开关器件为PNP型三极管,所述第二开关器件为N沟道的场效应管。
9.一种本质安全型电源的电火花限制方法,包括:
对电源电流采样,转换成电压信号,得到采样电压;
提供预设电压,所述预设电压对应于电源的安全阈值电流,作为是否需要增加内部负载的阈值电压;
比较所述采样电压和所述预设电压的大小,将比较结果作为控制信号;
比较所述采样电压和电路负极输出端对地的电压的大小,将比较结果作为反馈控制信号;
根据所述控制信号和所述反馈控制信号,控制是否将保护电阻作为内部负载,与外部负载串联接入电路中,以增大整个回路的电阻;
其中,所述控制信号和所述反馈控制信号包括高电平、低电平两种状态。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述“根据所述控制信号和所述反馈控制信号,控制是否将保护电阻作为内部负载,与外部负载串联接入电路中,以增大整个回路的电阻”进一步包括所述控制信号和所述反馈控制信号,使开关器件导通或断开,从而控制是否将保护电阻与外部负载串联接入电路中。
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