CN103904612A - 一种可调式矿用本安电源保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调式矿用本安电源保护电路，包括与电源连接的启动电流采样电路、过流保护电路、过欠压保护电流以及过流软启动采样电路、钳位开关电路、调整管开关电路；启动电流采样电路第一输出端与过流软启动采样电路的输入端连接，第二输出端与调整管开关电路连接；过流软启动采样电路的第一输出端与调整管开关电路连接，第二输出端与过流保护电路第二输入端连接；过流保护电路的输出端与钳位开关电路第一输入端连接；过欠压保护电路的输出端与钳位开关电路第二输入端连接；钳位开关电路的输出端与调整管开关电路连接。本发明实现了本安电源短路、过流、过欠压保护且参数可调的功能，提高了使用的可靠性与通用性。

Description

一种可调式矿用本安电源保护电路

技术领域

本发明属于电源保护领域，具体涉及一种可调式矿用本安电源保护电路。

背景技术

矿用电气设备近年来在煤矿生产自动化与智能化中得以快速发展与应用，国家标准GB3836.4-2010中对于其使用安全性有明确规定，这对于煤矿中使用数量最多、分布最广的本质安全型电源提出了更高要求。根据规定，矿用本安电源必须满足两级保护的要求，包括两级过压保护和两级过流保护，同时电路应保证性能可靠、保护迅速、转换效率高的要求。

目前，对于矿用本安电源保护的设计一般采用以下两种方式：

（1）利用电阻进行电流的采样，当电流超过电路限流值时，给出功率管关断信号，一旦电流小于限流值，立刻给出功率管开启信号，通过频繁地控制功率管的通断达到限流目的。这种设计方式响应速度快，但保护效率低、易烧毁功率管，仅适用于小电流的保护。

（2）利用迟滞比较器设计的电流检测电路实现电源在过流下的保护，当电流超过电路限流值时，关断功率管，并在一端时间后再次启动电源。这种设计方式可实现短路或过流的自恢复，相比第一种方式，功率管损耗低、保护效率高，不易造成保护电路不可逆损坏。但这种方式也存在着以下不足：

第一，由于电气设备本身存在着的寄生电感与寄生电容，使得设备开机启动时电流较大，因此可能会导致电气设备不能正常启动，一直处于过流保护的误判断状态，即通用性不高，实用新型专利CN201320231882.3虽然较市场上一般的保护电路有着诸多优势，但同样也不能避免此类情况的发生。

第二，不满足国家标准的两级电压保护的要求，许多设备保护电路的电压保护仅仅借助电源本身，并未设计可靠的二级电流、电压保护相结合的电路，另外有些电压保护电路过于繁琐冗余，增加了电路设计的复杂度和成本。

第三，本安电源保护参数无法调节，当电气设备有所增加或减少时，可能会需要调节电流和电压保护参数的大小，而目前一般的本安电源无法调节相应的保护参数。

发明内容

本发明旨在提供一种可调式矿用本安电源保护电路，增强本安电源在矿用电气设备中使用的稳定性、可靠性、通用性，解决目前应用中存在的基本问题。

一种可调式矿用本安电源保护电路，包括与电源连接的启动电流采样电路、过流软启动采样电路、过流保护电路、过欠压保护电流、钳位开关电路、调整管开关电路，启动电流采样电路的输入端与电源连接，启动电流采样电路第一输出端与过流软启动采样电路的输入端连接，启动电流采样电路第二输出端与调整管开关电路连接；过流软启动采样电路的第一输出端与调整管开关电路连接，过流软启动采样电路的第二输出端与过流保护电路第二输入端连接；过流保护电路的第一输入端与电源连接，过流保护电路的输出端与钳位开关电路第一输入端连接；过欠压保护电路的输入端与电源连接，过欠压保护电路的输出端与钳位开关电路第二输入端连接；钳位开关电路的输出端与调整管开关电路连接，调整管开关电路的输出端输出电源。

所述的启动电流采样电路包括第一可调电阻RP1和第一功率管Q1，第一可调电阻RP1的一端、第一功率管Q1的第2引脚相连后作为启动电流采样电路的输入端与电源连接，第一可调电阻RP1的另一端、第一功率管Q1的第1引脚作为启动电流采样电路的第一输出端；第一功率管Q1的第3引脚作为启动电流采样电路的第二输出端。通过调整第一可调电阻RP1的阻值，可以限制本安电源的最大启动电流。

所述的过流软启动采样电路包括第二可调电阻RP2、第一电容C1和第二功率管Q2，第二可调电阻RP2的一端、第一电容C1的一端、第二功率管Q2的第2引脚相连后作为过流软启动采样电路的输入端与启动电流采样电路的第一输出端连接，第二可调电阻PR2的另一端、第一电容C1的另一端、第二功率管Q2的第1引脚相连后作为过流软启动采样电路的第一输出端；第二功率管Q2的第3引脚作为过流软启动采样电路的第二输出端。通过调整第二可调电阻RP2的阻值，可以改变电源过流保护阈值；通过改变第一电容C1的容值，可以改变电流软启动时间。

所述的过流保护电路包括放大器U1、第三可调电阻RP3、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3；第一电阻R1的一端、第三可调电阻RP3的一端、第二电容C2的一端相连后作为过流保护电路的第二输入端与过流软启动采样电路的第二输出端连接；第二电容C2的另一端接地，第三可调电阻RP3的另一端、第三二极管D3的一端、第五电阻R5的一端相连后与放大器U1第1引脚连接，第一电阻R1的另一端与放大器U1第2引脚连接；第三二极管D3的另一端与放大器U1第6引脚连接，第五电阻R5的另一端与第四电阻R4的一端相连后与放大器U1第3引脚连接；第四电阻R4的另一端、第三电阻R3的一端与第二二极管D2的一端连接，第三电阻R3的另一端、第二电阻R2的一端与第一二极管D1的一端连接，第二二极管D2的另一端接地，第一二极管D1的另一端作为过流保护电路的第一输入端与电源连接；第二电阻R2的另一端与放大器U1的第5引脚连接；放大器U1的第7引脚作为过流保护电路的输出端。通过调整第三可调电阻RP3的阻值，可以改变电路因过流保护后再启动的时间。

所述的过欠压保护电路包括第四可调电阻RP4、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第四二极管D4、第三功率管D3、第四功率管D4、放大器U2；第四可调电阻RP4的一端、第八电阻R8的一端相连后与第四二极管D4第1引脚连接，第四可调电阻RP4的另一端、第六电阻R6的一端、第七电阻R7的一端、第四二极管D4的第2引脚相连后作为过欠压保护电路的输入端与电源连接，第八电阻R8的另一端、第十电阻R10的一端、第十一电阻R11的一端相连后与第四二极管D4的第3引脚连接；第十电阻R10的另一端、第九电阻R9的一端与第四功率管Q4的第1引脚连接，第十一电阻R11的另一端、第四功率管Q4的第3引脚、第三功率管Q3的第3引脚相连后接地；第四功率管Q4的第2引脚、第三功率管Q3的第1引脚与第六电阻R6的另一端连接，第三功率管Q3的第2引脚、第九电阻R9的另一端、第七电阻R7的另一端相连后与放大器U2的第3引脚连接；放大器U2的第2引脚与第1引脚相连作为过、欠压包括电路的输出端。过欠压保护电路，通过调整第四可调电阻RP4的阻值，可以改变电源电压保护阈值。

所述的钳位开关电路包括第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第十二电阻R12、第三电容C3；第五二极管D5的一端、第六二极管D6的一端、第十二电阻R12的一端、第三电容C3的一端相连，第五二极管D5的另一端作为钳位开关电路的第一输入端，第六二极管D6的另一端作为钳位开关电路的第二输入端；第十二电阻R12的另一端、第三电容C3的另一端、第七二极管D7的一端相连；第七二极管D7的另一端作为钳位开关电路的输出端。

所述的调整管开关电路包括第五功率管Q5、第十三电阻R13；第五功率管Q5的第1引脚、第十三电阻R13的一端相连后作为调整管开关电路的第一输入端，第十三电阻R13的另一端、第五功率管Q5的第2引脚作为调整管开关电路的第二输入端，第五功率管Q5的第3引脚作为调整管开关电路的输出端。

所述的第四二极管D4型号为TL431。

本发明的有益效果：

（1）满足国家标准两级电压保护和两级电流保护的要求，可实现短路、过流、过欠压的迅速保护，性能可靠，并且电压、电流保护参数可调，电路结构简单、设计高效。

（2）提高了本安电源在矿用电气设备中使用的通用性，避免了电气设备在启动时因电流过大导致的误保护，且可实现过流、短路保护的自恢复，功率管发热低，自恢复的时间间隔可手动调整。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中启动电流采样电路示意图；

图3为本发明中过流软启动采样电路示意图；

图4为本发明中过流保护电路示意图；

图5为本发明中过欠压保护电路示意图；

图6为本发明中钳位开关电路示意图；

图7为本发明中调整管开关电路示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括启动电流采样电路1、过流软启动采样电路2、过流保护电路3、过欠压保护电路4、钳位开关电路5、调整管开关电路6。启动电流采样电路1的输入端与开关电源输入端连接，第一输出端与过流软启动采样电路2的输入端连接，第二输出端与调整管开关电路连接；过流软启动采样电路2的第一输出端与调整管开关电路连接，第二输出端与过流保护电路3第二输入端连接；过流保护电路3的第一输入端与开关电源输入连接，输出端与钳位开关电路5第一输入端连接；过、欠压保护电路4的输入端与开关电源输入连接，输出端与钳位开关电路5第二输入端连接；钳位开关电路5的输出端与调整管开关电路6连接；调整管开关电路6的输出端即为电源输出。

如图2所示，包括第一可调电阻RP1和第一功率管Q1。第一可调电阻RP1的一端、第一功率管Q1的第2引脚相连后作为启动电流采样电路1的输入端与开关电源连接，第一可调电阻RP1的另一端、第一功率管Q1的第1引脚作为启动电流采样电路的第一输出端11；第一功率管Q1的第3引脚作为启动电流采样电路1的第二输出端12。通过调整第一可调电阻RP1的阻值，可以限制本安电源的最大启动电流；第一功率管Q1的型号为2N3906。

如图3所示，包括第二可调电阻RP2、第一电容C1和第二功率管Q2；第二可调电阻RP2的一端、第一电容C1的一端、第二功率管Q2的第2引脚相连后作为过流软启动采样电路2的输入端与启动电流采样电路1的第一输出端连接，第二可调电阻PR2的另一端、第一电容C1的另一端、第二功率管Q2的第1引脚相连后作为过流软启动采样电路的第一输出端21；第二功率管Q2的第3引脚作为过流软启动采样电路2的第二输出端22。通过调整第二可调电阻RP2的阻值，可以改变电源过流保护阈值；通过改变第一电容C1的容值，可以改变电流软启动时间；第二功率管Q2的型号为2N3906。

如图4所示，包括放大器U1、第三可调电阻RP3、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3；第一电阻R1的一端、第三可调电阻RP3的一端、第二电容C2的一端相连后作为过流保护电路3的第二输入端32与过流软启动采样电路2的第二输出端连接；第二电容C2的另一端接地，第三可调电阻RP3的另一端、第三二极管D3的一端、第五电阻R5的一端相连后与放大器U1第1引脚连接，第一电阻R1的另一端与放大器U1第2引脚连接；第三二极管D3的另一端与放大器U1第6引脚连接，第五电阻R5的另一端与第四电阻R4的一端相连后与放大器U1第3引脚连接；第四电阻R4的另一端、第三电阻R3的一端与第二二极管D2的一端连接，第三电阻R3的另一端、第二电阻R2的一端与第一二极管D1的一端连接，第二二极管D2的另一端接地，第一二极管D1的另一端作为过流保护电路3的第一输入端31与开关电源输入连接；第二电阻R2的另一端与放大器U1的第5引脚连接；放大器U1的第7号引脚作为过流保护电路3的输出端。通过调整第三可调电阻RP3的阻值，可以改变电路因过流保护后再启动的时间；放大器U1型号为LF253。

如图5所示，包括第四可调电阻RP4、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第四二极管D4、第三功率管Q3、第四功率管Q4、放大器U2；第四可调电阻RP4的一端、第八电阻R8的一端相连后与第四二极管D4第1引脚连接，第四可调电阻RP4的另一端、第六电阻R6的一端、第七电阻R7的一端、第四二极管D4的第2引脚相连后作为过、欠压保护电路4的输入端与开关电源连接，第八电阻R8的另一端、第十电阻R10的一端、第十一电阻R11的一端相连后与第四二极管D4的第3引脚连接；第十电阻R10的另一端、第九电阻R9的一端与第四功率管Q4的第1引脚连接，第十一电阻R11的另一端、第四功率管Q4的第3引脚、第三功率管Q3的第3引脚相连后接地；第四功率管Q4的第2引脚、第三功率管Q3的第1引脚与第六电阻R6的另一端连接，第三功率管Q3的第2引脚、第九电阻R9的另一端、第七电阻R7的另一端相连后与放大器U2的第3引脚连接；放大器U2的第2引脚与第1引脚相连作为过、欠压包括电路4的输出端。通过调整第四可调电阻RP4的阻值，可以改变电源电压保护阈值；第三功率管Q3、第四功率管Q4型号为S8050，第四二极管D4型号为TL431，放大器U2型号为LM258。

如图6所示，包括第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第十二电阻R12、第三电容C3；第五二极管D5的一端、第六二极管D6的一端、第十二电阻R12的一端、第三电容C3的一端相连，第五二极管D5的另一端作为钳位开关电路5的第一输入端51，第六二极管D6的另一端作为钳位开关电路5的第二输入端52；第十二电阻R12的另一端、第三电容C3的另一端、第七二极管D7的一端相连；第七二极管D7的另一端作为钳位开关电路5的输出端。第五二极管D5、第六二极管D6型号为1N4148，第七二极管型号为1N4728。

如图7所示，包括第五功率管Q5、第十三电阻R13；第五功率管Q5的第1引脚、第十三电阻R13的一端相连后作为调整管开关电路6的第一输入端61，第十三电阻R13的另一端、第五功率管Q5的第2引脚作为调整管开关电路6的第二输入端62，第五功率管Q5的第3引脚作为调整管开关电路6的输出端。第五功率管Q5型号为IRF7404。

具体工作过程为：电气设备启动并供电，由启动电流采样电路1进行启动电流的抑制，过流软启动采样电路2通过第一电容C1实现了软启动，防止过流保护的误触发。在电气设备中有短路或过流出现时，过流保护电路3立刻起作用，并迅速通过钳位开关电路5关闭调整管开关电路6，实现电路的电流保护。当回路电流减小时，电路不会立刻使能调整管开关电路6，而是等待一段时间后再次启动电源，目的是等待电路的带载恢复；在等待时间到达后，若电路已恢复正常，即可正常工作，否则依然以上述方式不断进行过流、短路的判断。同样，若有过压、欠压出现，此时过、欠压保护电路4立刻起作用，并迅速通过钳位开关电路5关闭调整管开关电路6，实现电路的电压保护。

Claims (8)

1.一种可调式矿用本安电源保护电路，其特征在于，包括与电源连接的启动电流采样电路、过流软启动采样电路、过流保护电路、过欠压保护电流、钳位开关电路、调整管开关电路，启动电流采样电路的输入端与电源连接，启动电流采样电路第一输出端与过流软启动采样电路的输入端连接，启动电流采样电路第二输出端与调整管开关电路连接；过流软启动采样电路的第一输出端与调整管开关电路连接，过流软启动采样电路的第二输出端与过流保护电路第二输入端连接；过流保护电路的第一输入端与电源连接，过流保护电路的输出端与钳位开关电路第一输入端连接；过欠压保护电路的输入端与电源连接，过欠压保护电路的输出端与钳位开关电路第二输入端连接；钳位开关电路的输出端与调整管开关电路连接，调整管开关电路的输出端输出电源。

2.根据权利要求1所述的可调式矿用本安电源保护电路，其特征在于，所述的启动电流采样电路包括第一可调电阻RP1和第一功率管Q1，第一可调电阻RP1的一端、第一功率管Q1的第2引脚相连后作为启动电流采样电路的输入端与电源连接，第一可调电阻RP1的另一端、第一功率管Q1的第1引脚作为启动电流采样电路的第一输出端；第一功率管Q1的第3引脚作为启动电流采样电路的第二输出端。

3.根据权利要求1所述的可调式矿用本安电源保护电路，其特征在于，所述的过流软启动采样电路包括第二可调电阻RP2、第一电容C1和第二功率管Q2，第二可调电阻RP2的一端、第一电容C1的一端、第二功率管Q2的第2引脚相连后作为过流软启动采样电路的输入端与启动电流采样电路的第一输出端连接，第二可调电阻PR2的另一端、第一电容C1的另一端、第二功率管Q2的第1引脚相连后作为过流软启动采样电路的第一输出端；第二功率管Q2的第3引脚作为过流软启动采样电路的第二输出端。

4.根据权利要求1所述的可调式矿用本安电源保护电路，其特征在于，所述的过流保护电路包括放大器U1、第三可调电阻RP3、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3；第一电阻R1的一端、第三可调电阻RP3的一端、第二电容C2的一端相连后作为过流保护电路的第二输入端与过流软启动采样电路的第二输出端连接；第二电容C2的另一端接地，第三可调电阻RP3的另一端、第三二极管D3的一端、第五电阻R5的一端相连后与放大器U1第1引脚连接，第一电阻R1的另一端与放大器U1第2引脚连接；第三二极管D3的另一端与放大器U1第6引脚连接，第五电阻R5的另一端与第四电阻R4的一端相连后与放大器U1第3引脚连接；第四电阻R4的另一端、第三电阻R3的一端与第二二极管D2的一端连接，第三电阻R3的另一端、第二电阻R2的一端与第一二极管D1的一端连接，第二二极管D2的另一端接地，第一二极管D1的另一端作为过流保护电路的第一输入端与电源连接；第二电阻R2的另一端与放大器U1的第5引脚连接；放大器U1的第7引脚作为过流保护电路的输出端。

5.根据权利要求1所述的可调式矿用本安电源保护电路，其特征在于，所述的过欠压保护电路包括第四可调电阻RP4、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第四二极管D4、第三功率管D3、第四功率管D4、放大器U2；第四可调电阻RP4的一端、第八电阻R8的一端相连后与第四二极管D4第1引脚连接，第四可调电阻RP4的另一端、第六电阻R6的一端、第七电阻R7的一端、第四二极管D4的第2引脚相连后作为过、欠压保护电路的输入端与电源连接，第八电阻R8的另一端、第十电阻R10的一端、第十一电阻R11的一端相连后与第四二极管D4的第3引脚连接；第十电阻R10的另一端、第九电阻R9的一端与第四功率管Q4的第1引脚连接，第十一电阻R11的另一端、第四功率管Q4的第3引脚、第三功率管Q3的第3引脚相连后接地；第四功率管Q4的第2引脚、第三功率管Q3的第1引脚与第六电阻R6的另一端连接，第三功率管Q3的第2引脚、第九电阻R9的另一端、第七电阻R7的另一端相连后与放大器U2的第3引脚连接；放大器U2的第2引脚与第1引脚相连作为过、欠压包括电路的输出端。

6.根据权利要求1所述的可调式矿用本安电源保护电路，其特征在于，所述的钳位开关电路包括第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第十二电阻R12、第三电容C3；第五二极管D5的一端、第六二极管D6的一端、第十二电阻R12的一端、第三电容C3的一端相连，第五二极管D5的另一端作为钳位开关电路的第一输入端，第六二极管D6的另一端作为钳位开关电路的第二输入端；第十二电阻R12的另一端、第三电容C3的另一端、第七二极管D7的一端相连；第七二极管D7的另一端作为钳位开关电路的输出端。

7.根据权利要求1所述的可调式矿用本安电源保护电路，其特征在于，所述的调整管开关电路包括第五功率管Q5、第十三电阻R13；第五功率管Q5的第1引脚、第十三电阻R13的一端相连后作为调整管开关电路的第一输入端，第十三电阻R13的另一端、第五功率管Q5的第2引脚作为调整管开关电路的第二输入端，第五功率管Q5的第3引脚作为调整管开关电路的输出端。

8.根据权利要求5所述的可调式矿用本安电源保护电路，其特征在于，所述的第四二极管D4型号为TL431。

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