CN110265969B - 一种双重保护电路的ia型电源安全栅电路 - Google Patents

一种双重保护电路的ia型电源安全栅电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双重保护电路的ia型电源安全栅电路，ia型电源安全栅电路的输入端接入非安电源信号、输出端信号接出给矿用仪器仪表，ia型电源安全栅电路包括三级限压保护电路和电阻限流保护电路，每级限压保护电路前均连接MOS管作为开关器件，电阻限流保护电路采用限流电阻R1，限流电阻R1一端连接三级限压保护电路、另一端连接矿用仪器仪表；还包括保险丝F1和一级过流保护电路，保险丝F1一端接入非安电源信号、另一端连接三级限压保护电路，一级过流保护电路一端连接限流电阻R1、另一端连接矿用仪器仪表。本发明可以极大的减小ia型安全栅的限流电阻体积，从而减小整个矿用隔爆兼本安型直流电源隔爆外壳的体积和重量。

Description

一种双重保护电路的ia型电源安全栅电路
技术领域
本发明涉及ia型电源安全栅技术领域，具体涉及一种双重保护电路的ia型电源安全栅电路。
背景技术
安全栅是一种应用在爆炸环境中进行限制能量的装置，主要功能为限流限压，保证现场仪表可得到的能量在安全范围内。在防爆领域中，i表示本质安全型，这是一种电气设备的防爆型式，它将设备内部和暴露于潜在爆炸性环境的链接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能产生点燃的水平。本质安全设备和关联设备的本质安全部分分为“ia”、“ib”、“ic”保护等级。
常用的ia型安全栅通过三级限压保护和可靠电阻限流进行能量限制，限压保护可以使用MOS管作为开关器件，当过压时，通过关断MOS管来切断回路，而限流只能通过可靠电阻进行限流保护，如图1所示。用这种方案设计的ia型安全栅，需要着重注意的有两点，第一是限流电阻R1所能承受的功率应满足流过R1通路最大电流时的功率的1.5倍。假设短路时流过R1的电流为I短，输入电压为Vin，则限流电阻应满足自身所能承受的功率P1≥1.5*Vin*I短。第二个要点是要求电阻R1在负载短路过程中，其表面温度始终不能超过150℃，这对电阻R1自身的散热面积提出了较高要求，电阻体积大。综合以上两点要求，常规的ia安全栅存在体积大的问题，占用隔爆壳体空间大，小型化困难的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有常规ia安全栅存在限流电阻体积大，占用隔爆壳体空间大，导致隔爆壳体重量较重，小型化困难的问题，本发明提供了解决上述问题的一种双重保护电路的ia型电源安全栅电路。
本发明通过下述技术方案实现：
一种双重保护电路的ia型电源安全栅电路，ia型电源安全栅电路的输入端接入非安电源信号、输出端信号接出给矿用仪器仪表，所述ia型电源安全栅电路包括三级限压保护电路和电阻限流保护电路，每级限压保护电路前均连接MOS管作为开关器件，电阻限流保护电路采用一个限流电阻R1进行限流保护，限流电阻R1一端连接三级限压保护电路、另一端连接输出端信号接出给矿用仪器仪表；还包括保险丝F1和一级过流保护电路，所述保险丝F1的一端接入非安电源信号、另一端连接三级限压保护电路，所述一级过流保护电路的一端连接限流电阻R1、另一端连接输出端信号接出给矿用仪器仪表。
工作原理如下：
基于现有常规的ia型安全栅通过三级限压保护和可靠电阻限流进行能量限制，限压保护可以使用MOS管作为开关器件，当过压时，通过关断MOS管来切断回路，而限流只能通过可靠电阻进行限流保护，而这种结构存在限流电阻体积大，占用隔爆壳体空间大，导致隔爆壳体重量较重，小型化困难的问题。
本发明采用上述方案在常规ia型安全栅的基础上，增加了一个保险丝F1和一级过流保护电路，保险丝F1在煤矿应用中被认为是可靠元件，可不做故障假设。在本发明中，增加保险丝F1的目的是为了限制流过限流电阻R1的电流，假设输出端短路的情况下，限流电阻R1的发热功率为P1＝Vin*I短，其中Vin为输入电压，I短为短路时流过R1的电流；若保险丝F1的熔断电流为n I短，其中n＜1，当回路电流大于n I短时，保险丝F1会熔断，此时流过限流电阻R1的最大发热功率为P2＝Vin*nI短，显然P2＜P1，即限流电阻的最大发热功率变小了，也就是说，使用这样的发明电路，可以选择一个散热功率更小的限流电阻R1了。保险丝F1的存在，保护了较小功率的限流电阻R1过热损坏，也防止限流电阻R1温度超过150℃的问题了。
限流电阻R1有保险丝F1来保护，而当输出端短路时，短路电流I短大于保险丝F1的熔断电流nI短(n＜1)，必然会造成保险丝F1熔断，所以为了保护保险丝F1，又设计了一路过流保护电路，其限流值I保＜nI短(n＜1)，这样在输出端短路时，一级过流保护电路就能保护保险丝F1了。在ia型安全栅中，采用电子管的过流保护电路都是不被认可的，所以后级的一级过流保护电路并不能被认为是可靠的过流保护电路，其真正起到限流作用的还是限流电阻R1，所以该电路仍然是可靠的ia安全栅，同时限流电阻R1的体积又大大减小了，起到了小型化的目的。
通过保险丝F1和过流保护电路这两重保护，保险丝F1保护限流电阻R1，过流保护电路保护保险丝F1不被熔断，从而使得限流电阻R1体积大大减小了。在矿用隔爆兼本安型直流电源中，如果同时放置多路ia型安全栅，按照现有常规的设计思路，ia型安全栅的限流电阻存在体积较大的问题，对空间需求较大。为了满足空间要求，就要加大隔爆外壳的体积，众所周知，隔爆外壳完全由钢板制成，钢板厚度较厚，增大隔爆外壳的体积又会极大的增加隔爆外壳的重量，造成整个矿用隔爆兼本安型直流电源的重量非常重，这对于无论是运输还是现场安装都是难以接受的。通过本发明的设计方案，可以极大的减小ia型安全栅的限流电阻的体积，从而减小整个矿用隔爆兼本安型直流电源隔爆外壳的体积和重量，优势非常明显。
优选地，所述一级过流保护电路包括过流保护器FR和MOS管Q4，所述过流保护器FR的第一端连接限流电阻R1、第二端连接MOS管Q4的源极、第三端接地，所述MOS管Q4的栅极接地，所述MOS管Q4的漏极连接所述矿用仪器仪表；这样的一级过流保护电路主要用户对保险丝F1起到保护作用，实现对回路中的电流过大时，通过MOS管Q4作为开关器件来切断回路，简单方便。
优选地，所述过流保护器FR的额定电流小于等于保险丝F1的熔断电流，这样保证过流保护器FR对保险丝F1起到保护作用。
优选地，所述过流保护器FR的型号为JL-200的过流保护器。
优选地，所述保险丝F1的熔断电流小于等于限流电阻R1的额定电流，这样保证保险丝F1对限流电阻R1起到保护作用。
优选地，所述三级限压保护电路包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3，第一过压保护器B1、第二过压保护器B2和第三过压保护器B3，所述MOS管Q1的源极连接保险丝F1，所述MOS管Q1的栅极连接第一过压保护器B1，所述MOS管Q1的漏极连接MOS管Q2的源极，所述第一过压保护器B1的一端连接于MOS管Q1与MOS管Q2之间，所述第一过压保护器B1的另一端接地；MOS管Q2的栅极连接第二过压保护器B2，MOS管Q2的漏极连接MOS管Q3的源极，所述第二过压保护器B2的一端连接于MOS管Q2与MOS管Q3之间，所述第二过压保护器B2的另一端接地；MOS管Q3的栅极连接第三过压保护器B3，MOS管Q3的漏极连接限流电阻R1，所述第三过压保护器B3的一端连接于MOS管Q3与限流电阻R1之间，所述第二过压保护器B3的另一端接地。
优选地，所述第一过压保护器、第二过压保护器和第三过压保护器均采用型号为EM-001A的过压保护器。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过保险丝F1和过流保护电路这两重保护，保险丝F1保护限流电阻R1，过流保护电路保护保险丝F1不被熔断；
2、本发明可以极大的减小ia型安全栅的限流电阻的体积，实现了小型化，从而减小整个矿用隔爆兼本安型直流电源隔爆外壳的体积和重量，优势非常明显，本发明的电路结构适合在ia型安全栅上大面积推广使用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为现有技术中的ia型电源安全栅电路图。
图2为本发明的一种双重保护电路的ia型电源安全栅电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图2所示，一种双重保护电路的ia型电源安全栅电路，ia型电源安全栅电路的输入端接入非安电源信号、输出端信号接出给矿用仪器仪表，所述ia型电源安全栅电路包括三级限压保护电路和电阻限流保护电路，每级限压保护电路前均连接MOS管作为开关器件，电阻限流保护电路采用一个限流电阻R1进行限流保护，限流电阻R1一端连接三级限压保护电路、另一端连接输出端信号接出给矿用仪器仪表；还包括保险丝F1和一级过流保护电路，所述保险丝F1的一端接入非安电源信号、另一端连接三级限压保护电路，所述一级过流保护电路的一端连接限流电阻R1、另一端连接输出端信号接出给矿用仪器仪表。
具体地，所述一级过流保护电路包括过流保护器FR和MOS管Q4，所述过流保护器FR的第一端连接限流电阻R1、第二端连接MOS管Q4的源极、第三端接地，所述MOS管Q4的栅极接地，所述MOS管Q4的漏极连接所述矿用仪器仪表；这样的一级过流保护电路主要用户对保险丝F1起到保护作用，实现对回路中的电流过大时，通过MOS管Q4作为开关器件来切断回路，简单方便。
具体地，所述三级限压保护电路包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3，第一过压保护器B1、第二过压保护器B2和第三过压保护器B3，所述MOS管Q1的源极连接保险丝F1，所述MOS管Q1的栅极连接第一过压保护器B1，所述MOS管Q1的漏极连接MOS管Q2的源极，所述第一过压保护器B1的一端连接于MOS管Q1与MOS管Q2之间，所述第一过压保护器B1的另一端接地；MOS管Q2的栅极连接第二过压保护器B2，MOS管Q2的漏极连接MOS管Q3的源极，所述第二过压保护器B2的一端连接于MOS管Q2与MOS管Q3之间，所述第二过压保护器B2的另一端接地；MOS管Q3的栅极连接第三过压保护器B3，MOS管Q3的漏极连接限流电阻R1，所述第三过压保护器B3的一端连接于MOS管Q3与限流电阻R1之间，所述第二过压保护器B3的另一端接地。
其中，所述过流保护器FR的额定电流小于等于保险丝F1的熔断电流，这样保证过流保护器FR对保险丝F1起到保护作用。
所述保险丝F1的熔断电流小于等于限流电阻R1的额定电流，这样保证保险丝F1对限流电阻R1起到保护作用。
本实施例中，所述过流保护器FR的型号为JL-200的过流保护器，所述第一过压保护器、第二过压保护器和第三过压保护器均采用型号为EM-001A的过压保护器；MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4均采用P型MOS管。
工作原理如下：
基于现有常规的ia型安全栅通过三级限压保护和可靠电阻限流进行能量限制，限压保护可以使用MOS管作为开关器件，当过压时，通过关断MOS管来切断回路，而限流只能通过可靠电阻进行限流保护，而这种结构存在限流电阻体积大，占用隔爆壳体空间大，导致隔爆壳体重量较重，小型化困难的问题。如图1所示，图1现有技术中的ia型电源安全栅电路图。
本发明采用的方案在常规ia型安全栅的基础上，增加了一个保险丝F1和一级过流保护电路，保险丝F1在煤矿应用中被认为是可靠元件，可不做故障假设。在本发明中，增加保险丝F1的目的是为了限制流过限流电阻R1的电流，假设输出端短路的情况下，限流电阻R1的发热功率为P1＝Vin*I短，其中Vin为输入电压，I短为短路时流过R1的电流；若保险丝F1的熔断电流为n I短，其中n＜1，当回路电流大于n I短时，保险丝F1会熔断，此时流过限流电阻R1的最大发热功率为P2＝Vin*nI短，显然P2＜P1，即限流电阻的最大发热功率变小了，也就是说，使用这样的发明电路，可以选择一个散热功率更小的限流电阻R1了。保险丝F1的存在，保护了较小功率的限流电阻R1过热损坏，也防止限流电阻R1温度超过150℃的问题了。
限流电阻R1有保险丝F1来保护，而当输出端短路时，短路电流I短大于保险丝F1的熔断电流nI短(n＜1)，必然会造成保险丝F1熔断，所以为了保护保险丝F1，又设计了一路过流保护电路，其限流值I保＜nI短(n＜1)，这样在输出端短路时，一级过流保护电路就能保护保险丝F1了。在ia型安全栅中，采用电子管的过流保护电路都是不被认可的，所以后级的一级过流保护电路并不能被认为是可靠的过流保护电路，其真正起到限流作用的还是限流电阻R1，所以该电路仍然是可靠的ia安全栅，同时限流电阻R1的体积又大大减小了，起到了小型化的目的。
通过保险丝F1和过流保护电路这两重保护，保险丝F1保护限流电阻R1，过流保护电路保护保险丝F1不被熔断，从而使得限流电阻R1体积大大减小了。在矿用隔爆兼本安型直流电源中，如果同时放置多路ia型安全栅，按照现有常规的设计思路，ia型安全栅的限流电阻存在体积较大的问题，对空间需求较大。为了满足空间要求，就要加大隔爆外壳的体积，众所周知，隔爆外壳完全由钢板制成，钢板厚度较厚，增大隔爆外壳的体积又会极大的增加隔爆外壳的重量，造成整个矿用隔爆兼本安型直流电源的重量非常重，这对于无论是运输还是现场安装都是难以接受的。通过本发明的设计方案，可以极大的减小ia型安全栅的限流电阻的体积，从而减小整个矿用隔爆兼本安型直流电源隔爆外壳的体积和重量，优势非常明显。
本实施例给出一个实例来说明：一个本安参数19V/1A的ia本安模块，需要使用一个19Ω的电阻，如果算上散热要求的话，使用现有常规方案，至少需要选择一个100W的金属铝壳电阻，其体积为98mm*48mm*26mm。而如果使用本发明的方案，保险丝F1取0.4A，限流保护电路限流值取0.39A，如果要求本安参数仍然为19V/1A，限流电阻可以取一个19Ω/25W的电阻，体积只有27mm*27mm*14.3mm，体积大大减小了。
由此可见，本发明结构可以极大的减小ia型安全栅的限流电阻的体积，从而减小整个矿用隔爆兼本安型直流电源隔爆外壳的体积和重量，优势非常明显。
以上所述的具体实施方式，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方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (4)

1.一种双重保护电路的ia型电源安全栅电路，ia型电源安全栅电路的输入端接入非安电源信号、输出端信号接出给矿用仪器仪表，所述ia型电源安全栅电路包括三级限压保护电路和电阻限流保护电路，每级限压保护电路前均连接MOS管作为开关器件，电阻限流保护电路采用一个限流电阻R1进行限流保护，限流电阻R1一端连接三级限压保护电路、另一端连接输出端信号接出给矿用仪器仪表；其特征在于：还包括保险丝F1和一级过流保护电路，所述保险丝F1的一端接入非安电源信号、另一端连接三级限压保护电路，所述一级过流保护电路的一端连接限流电阻R1、另一端连接输出端信号接出给矿用仪器仪表；
所述一级过流保护电路包括过流保护器FR和MOS管Q4，所述过流保护器FR的第一端连接限流电阻R1、第二端连接MOS管Q4的源极、第三端接地，所述MOS管Q4的栅极接地，所述MOS管Q4的漏极连接所述矿用仪器仪表；
所述过流保护器FR的额定电流小于等于保险丝F1的熔断电流；
所述保险丝F1的熔断电流小于等于限流电阻R1的额定电流；
该ia型电源安全栅电路适应于在矿用隔爆兼本安型直流电源中同时放置多路使用。
2.根据权利要求1 所述的一种双重保护电路的ia型电源安全栅电路，其特征在于：所述过流保护器FR的型号为JL-200的过流保护器。
3.根据权利要求1所述的一种双重保护电路的ia型电源安全栅电路，其特征在于：所述三级限压保护电路包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3，第一过压保护器B1、第二过压保护器B2和第三过压保护器B3，所述MOS管Q1的源极连接保险丝F1，所述MOS管Q1的栅极连接第一过压保护器B1，所述MOS管Q1的漏极连接MOS管Q2的源极，所述第一过压保护器B1的一端连接于MOS管Q1与MOS管Q2之间，所述第一过压保护器B1的另一端接地；MOS管Q2的栅极连接第二过压保护器B2，MOS管Q2的漏极连接MOS管Q3的源极，所述第二过压保护器B2的一端连接于MOS管Q2与MOS管Q3之间，所述第二过压保护器B2的另一端接地；MOS管Q3的栅极连接第三过压保护器B3，MOS管Q3的漏极连接限流电阻R1，所述第三过压保护器B3的一端连接于MOS管Q3与限流电阻R1之间，所述第二过压保护器B3的另一端接地。
4.根据权利要求3所述的一种双重保护电路的ia型电源安全栅电路，其特征在于：所述第一过压保护器、第二过压保护器和第三过压保护器均采用型号为EM-001A的过压保护器。
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