CN103887787B - 一种本质安全电感电路的灭弧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种本质安全电感电路的灭弧方法，属于防爆电气安全技术领域。本发明中的本质安全电感电路由电源、电阻和电感串联构成，电源的正向端通过第一线路与电阻电连接，电阻通过第二线路与电感电连接，电感通过第三线路与电源的反向端电连接，电感的两端反向并联二极管，第一、第二和第三线路的两端分别并联一灭弧电路，并且每个灭弧电路与检测驱动单元电连接。本发明通过在线路两端正向并联二极管和MOS晶体管，使得开路放电火花不能形成最危险的电弧放电阶段，放电火花能够自动熄灭，从而显著地提高了电感电路的安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及防爆电气安全技术领域，特别涉及一种本质安全电感电路的灭弧方法。
背景技术
应用于爆炸性气体环境的本质安全电路，按GB3836.4-2000标准定义为：在本标准规定条件(包括正常工作和规定的故障条件)下产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路，其具体表现为：在IEC(International Electrotechnical Commission，国际电工委员会)火花试验装置上进行规定条件的检测试验，电路的任何一处出现短路、开路和接地三种情况下均不能点燃规定的爆炸性气体。
对于典型本质安全电感电路，最危险的放电形式是开路火花放电(也称为电弧放电)，如图1所示。由图1可以看出，开路处的火花放电能量来源于两处：一是电源、二是储能元件电感。目前，为减小电火花能量，提高电路本质安全性能，常采用如下两种技术解决方案：第一种是通常使用的能量限制方法，在电感的两端反并联二极管D，如图2所示；第二种是采用动态电弧火花识别及终止方法，简称DART(Dynamic Arc Recognition and Termination)方法，其原理是通过识别放电火花的电弧电压、电弧电流和电流变化率，快速切断电源，熄灭放电火花。这两种解决方案的区别在于：能量限制方法针对的解决对象是电感储能，目的是降低放电火花的能量，但却忽略了电源作用的一直存在；DART方法针对的解决对象是电源，通过快速识别出电火花和快速切断电源，实现快速熄灭电火花，该技术的优点是快速性，但却忽略了储能电感的存在。由此可见，这两种解决方案均不能完全彻底地熄灭电火花；更为重要的是，这两种解决方案存在一个共同缺点，就是开路放电过程中最危险的电弧放电火花已经形成，属于电弧放电火花形成后的处理技术，这样势必会带来熄灭电弧放电火花处理的过程，增加了不安全因素。
发明内容
为了解决现有本质安全电感电路的开路电弧放电无法彻底消除，以及放电火花无法彻底熄灭的问题，本发明提供了一种本质安全电感电路的灭弧方法，所述本质安全电感电路由电源、电阻和电感串联构成，所述电源的正向端通过第一线路与电阻电连接，所述电阻通过第二线路与电感电连接，所述电感通过第三线路与电源的反向端电连接，所述电感的两端反向并联二极管，所述第一、第二和第三线路的两端分别并联一灭弧电路，并且每个灭弧电路与检测驱动单元电连接。
所述灭弧电路由二极管和MOS晶体管并联构成；所述二极管正向并联在对应线路的两端，所述二极管的阳极与对应所述MOS晶体管的漏极电连接，所述二极管的阴极与对应所述MOS晶体管的源极电连接；所述MOS晶体管的源极、漏极和栅极分别与检测驱动单元电连接。
所述MOS晶体管为NMOS晶体管或PMOS晶体管。
本发明通过在线路两端正向并联二极管和MOS晶体管，使得开路放电火花不能形成最危险的电弧放电阶段，放电火花能够自动熄灭，从而显著地提高了电感电路的安全性能。
附图说明
图1是现有技术本质安全电感电路原理示意图；
图2是现有技术本质安全电感电路电感反向并联二极管的电路原理示意图；
图3是本发明实施例本质安全电感电路线路正向并联二极管和MOS晶体管的电路原理示意图；
图4是本发明实施例本质安全电感电路的第一种灭弧工作原理示意图；
图5是本发明实施例本质安全电感电路的第二种灭弧工作原理示意图；
图6是本发明实施例本质安全电感电路的第三种灭弧工作原理示意图；
图7是本发明实施例本质安全电感电路的检测驱动单元的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步描述。
本发明实施例是在图2所示的本质安全电感电路能量限制方法的基础上，分别在每条线路的两端正向并联二极管和MOS晶体管，并且二极管和MOS晶体管同时与检测驱动单元电连接，从而避免了弧光放电的产生，达到了自动熄灭开路火花，显著地提高了电感电路的安全性能。
如图3所示，本实施例中的本质安全电感电路由电源E、电阻R和电感L串联构成，其中：A1、A6为电源E的接线端子，A2、A3为电阻R的接线端子，A4、A5为电感L的接线端子。电源E的正向端通过第一线路A1A2与电阻R电连接，电阻R通过第二线路A3A4与电感L电连接，电感L通过第三线路A5A6与电源E的反向端电连接，电感L的两端反向并联二极管D，线路A1A2、线路A3A4和线路A5A6的两端分别并联一灭弧电路，并且每个灭弧电路与检测驱动单元电连接。其中，灭弧电路由二极管和MOS晶体管并联构成，具体是：线路A1A2两端正向并联二极管D1和MOS晶体管M1，线路A3A4两端正向并联二极管D2和MOS晶体管M2，线路A5A6两端正向并联二极管D3和MOS晶体管M3；二极管D1的阳极与MOS晶体管M1的漏极电连接，二极管D1的阴极与MOS晶体管M1的源极电连接；二极管D2的阳极与MOS晶体管M2的漏极电连接，二极管D2的阴极与MOS晶体管M2的源极电连接；二极管D3的阳极与MOS晶体管M3的漏极电连接，二极管D3的阴极与MOS晶体管M3的源极电连接；MOS晶体管M1的源极、漏极和栅极与检测驱动单元的JD1电连接，MOS晶体管M2的源极、漏极和栅极与检测驱动单元的JD2电连接，MOS晶体管M3的源极、漏极和栅极与检测驱动单元的JD3电连接。二极管(D1、D2和D3)的导通电压也即MOS晶体管的漏源间电压为检测电压，输入检测驱动单元；MOS晶体管栅源间电压为驱动电压，由检测驱动单元输出。检测驱动单元为电子电路结构，包括JD1、JD2和JD3；JD1、JD2和JD3的功能均相同，用于执行电压输入检测和电平驱动输出；以JD3为例，由四部分电路组成，依次为差动放大器、基本RS触发器、MOS晶体管驱动电路、MOS晶体管电路，如图7所示；二极管的导通电压Ud经过差动放大器放大后输出高电平，高电平对基本RS触发器置位，触发器输出高电平并保持，高电平驱动MOS晶体管驱动电路，MOS晶体管导通。
当发生开路故障或者在IEC火花试验装置上进行开路火花放电试验时，开路处可以为A1A2、A3A4和A5A6三条线路中的任意一条线路，开路处将产生放电火花G，分别如图4、图5、图6所示。不失一般性，以图4为例，当在线路A5A6上出现开断时，开路处将形成放电火花G，放电电压从零瞬间上升；当放电电压达到二极管D3的导通电压Ut时，D3被瞬间导通，开路处放电火花G的电压被箝位于Ud，火花电流被分流，放电火花被限制；由于二极管D3的导通电压Ut和导通后的箝位电压Ud，远低于最小建弧电压(IEC火花试验装置上镉盘和钨丝对应的最小建弧电压一般为11V)，因此，开路火花放电就不能形成最危险的弧光放电；二极管D3和MOS晶体管M3与检测驱动单元的JD3电连接，JD3接收到二极管D3电压的变化，进而发出驱动指令，使晶体管M3导通，由于晶体管M3漏源间的压降远小于二极管D3上的正向压降，晶体管M3漏源间的压降数值可近似认为零，因此开路处被短路，开路火花自动熄灭。
图5、图6分别描述了电路其它位置开路时的情况，其电路工作原理与图4所示的电路工作原理基本相同，区别仅在于：图5所示电路对应检测驱动单元的JD2工作，图6所示电路对应检测驱动单元的JD1工作。实际应用中，MOS晶体管可以采用NMOS晶体管或PMOS晶体管。
需要特别说明的是：从理论上来说，在线路两端正向并联二极管和MOS晶体管，表面上看这两个元件是被线路短路的，但对于检测环节而言，却被认为是一种保护，因为线路一旦断开，放电火花电流被分流到二极管和MOS晶体管构成的旁路上，使开路处放电火花的电压被箝位于二极管的端电压，从而避免产生弧光放电，并且自动熄灭开路火花。
本发明实施例通过在线路两端正向并联二极管和MOS晶体管，使得开路放电火花不能形成最危险的电弧放电阶段；由于二极管和MOS晶体管的强分流作用，使开路处的火花电流被减小到几乎为零，导致放电火花自动熄灭，从而显著地提高了电感电路的安全性能。此外，本发明实施例的电路结构简单，安全保障性能好，提高了本质安全电感电路的功率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种本质安全电感电路的灭弧方法，所述本质安全电感电路由电源、电阻和电感串联构成，所述电源的正向端通过第一线路与电阻电连接，所述电阻通过第二线路与电感电连接，所述电感通过第三线路与电源的反向端电连接，所述电感的两端反向并联二极管，其特征在于，所述第一、第二和第三线路的两端分别并联一灭弧电路，并且每个灭弧电路与检测驱动单元电连接；所述灭弧电路由二极管和MOS晶体管并联构成；所述二极管正向并联在对应线路的两端，所述二极管的阳极与对应所述MOS晶体管的漏极电连接，所述二极管的阴极与对应所述MOS晶体管的源极电连接；所述MOS晶体管的源极、漏极和栅极分别与检测驱动单元电连接。
2.如权利要求1所述的本质安全电感电路的灭弧方法，其特征在于，所述MOS晶体管为NMOS晶体管或PMOS晶体管。
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