CN110336261A - 一种带载能力强的ib电源安全栅电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带载能力强的ib电源安全栅电路，解决了现有安全栅抗干扰能力差，带容性负载能力差问题。本发明的ib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ib电源安全栅电路采用两级保护电路，包括限压保护电路和限流保护电路，所述限流保护电路上连接有续流电路。本发明主要应用于矿用ib安全栅上，并且适合于类似ib型安全栅这种使用MOS管作为开关元件进行限压限流的应用场合，通过本方案增加续流电路，在满足本安要求的情况下，可以提高容性负载带载能力和抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及ib型电源安全栅技术领域，具体涉及一种带载能力强的ib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。常用的ib型安全栅通过两级限流保护和两级过压保护进行能量限制，使用MOS管作为开关器件，当过流或过压时，通过关断MOS来切断回路，如图1所示。
其中，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。
为了保证有效限制能量，MOS管的关断速度很快，带来的问题就是抗干扰能力差，受到干扰容易误关断，影响后级设备正常工作。其次，当后级设备容性负载较大时，后级设备启动电流较大，造成电源安全栅过流保护，即使保护解除后，由于电源安全栅的保护速度太快，无法将负载电容充满，造成负载设备怎么也启动不了的问题。
因此，为了解决原来安全栅抗干扰能力差，带容性负载能力差的问题，我们需要一种带载能力强的ib电源安全栅，提供一种抗干扰能力强，带容性负载能力强的ib电源安全栅。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的电源安全栅抗干扰能力差，带容性负载能力差的问题，本发明提供了解决上述问题的一种带载能力强的ib电源安全栅电路。
本发明通过下述技术方案实现：
一种带载能力强的ib电源安全栅电路，ib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ib电源安全栅电路采用两级保护电路，包括限压保护电路和限流保护电路，所述限流保护电路上连接有续流电路。
本发明的原理是：本发明是在常规ib型电源安全栅的基础上，提出了一种增加续流电路的方案，该方案主要应用于矿用ib安全栅上，并且适合于所有类似ib型安全栅这种使用MOS管作为开关元件进行限压限流的应用场合，因为基于该应用场景通常带载能力有限、抗干扰能力弱，通过本方案增加续流电路，在满足本安要求的情况下，可以提高容性负载带载能力和抗干扰能力。
进一步地，所述限压保护电路采用两级过压保护，所述限压保护电路包括MOS管Q1、MOS管Q2、第一过压保护器和第二过压保护器；
所述MOS管Q1的源极与非安电源的电压输入端相连，所述MOS管Q1的栅极经过所述第一过压保护器后接地，所述MOS管Q1的漏极连接所述MOS管Q2的源极，所述第一过压保护器一端连接于所述MOS管Q1与所述MOS管Q2之间；所述MOS管Q2的栅极经过所述第二过压保护器后接地，所述MOS管Q2的漏极连接所述限流保护电路。
进一步地，所述限流保护电路采用两级限流保护，所述限流保护电路包括第一过流保护器、第二过流保护器、MOS管Q3、MOS管Q4，所述续流电路包括电阻R1和电阻R2；
所述第一过流保护器的一端连接所述限压保护电路、另一端连接MOS管Q3的源极，所述MOS管Q3的栅极连接所述第一过流保护器，所述MOS管Q3的漏极连接所述第二过流保护器，所述第二过流保护器连接所述MOS管Q4的源极，所述MOS管Q4的栅极连接所述第二过流保护器，所述MOS管Q4的漏极连接所述矿用仪器仪表；
所述电阻R1一端连接于所述第一过流保护器与所述MOS管Q3的源极之间、另一端连接于所述MOS管Q3的漏极与所述第二过流保护器之间，所述电阻R2一端连接于所述第二过流保护器与所述MOS管Q4的源极之间、另一端连接于所述MOS管Q4的漏极与所述矿用仪器仪表之间。
在ib电源安全栅电路中对电流的监测是通过限流保护电路中的电流采样电阻实现的，干扰信号极易影响电阻采样值从而造成MOS管Q3、MOS管Q4异常关断，此时有电阻R1、电阻R2作为需要的续流电路，能够提供的电流比MOS管Q1、MOS管Q2开启时能够提供的电流小得多，但通常矿用仪器仪表的功耗并不大，续流电路仍然能否为设备提供必要的电源，使设备正常工作；另一方面，矿用仪器仪表如果负载电容较大时，启动瞬间导致MOS管Q3、MOS管Q4关断，通过电阻R1、电阻R2的续流通路，仍能将电容充满电，从而使MOS管Q3、MOS管Q4恢复正常工作，设备正常启动。
进一步地，所述电阻R1和所述电阻R2均作为续流电阻，且所述电阻R1与所述电阻R2的阻值相等。
进一步地，通过所述电阻R1、所述电阻R2的续流电路所能流过的最大电流为IX＝(Vin-ib_Vout)/(R1+R2)，Vin表示输入端电压值，ib_Vout表示输出端电压值。
进一步地，第一过压保护器和第二过压保护器可以采用型号EM-001A的过压保护器或者其它过压保护电路，第一过流保护器和第二过流保护器可以采用型号为JL-200的过流保护器或者其它过流保护电路。
其中，MOS管(metal oxide semiconductor)全称金属—氧化物—半导体场效应晶体管或称金属—绝缘体—半导体场效应晶体管，属于场效应管中的绝缘栅型，因此，MOS管有时候又称为绝缘栅场效应管。
MOS管的特性：它具有输入阻抗高、驱动功率小、噪声低、热稳定性好，开关速度快；制造工艺简单、辐射强，因而通常被用于放大电路或开关电路，在本发明中MOS管的功能是电路开关功能。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明在常规ib型电源安全栅的基础上，提出了一种增加续流电路的方案，在ib电源安全栅电路中对电流的监测是通过限流保护电路中的电流采样电阻实现的，干扰信号极易影响电阻采样值从而造成MOS管Q3、MOS管Q4异常关断，此时有电阻R1、电阻R2作为需要的续流电路，能够提供的电流比MOS管Q1、MOS管Q2开启时能够提供的电流小得多，但通常矿用仪器仪表的功耗并不大，续流电路仍然能否为设备提供必要的电源，使设备正常工作；另一方面，矿用仪器仪表如果负载电容较大时，启动瞬间导致MOS管Q3、MOS管Q4关断，通过电阻R1、电阻R2的续流电路，仍能将电容充满电，从而使MOS管Q3、MOS管Q4恢复正常工作，设备正常启动；
2、本发明主要应用于矿用ib安全栅上，并且适合于所有类似ib型安全栅这种使用MOS管作为开关元件进行限压限流的应用场合，因为基于该应用场景通常带载能力有限、抗干扰能力弱，通过本方案增加续流电路，在满足本安要求的情况下，可以提高容性负载带载能力和抗干扰能力。
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ib型电源安全栅电路图。
图2为本发明的ib型电源安全栅电路图。
图3为本发明的矿用ib型电源安全栅结构图。
图4为本发明的实施例2中的过压保护电路图。
图5为本发明的实施例2中的过流保护电路图。
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1
如图1至图3所示，一种带载能力强的ib电源安全栅电路，ib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ib电源安全栅电路采用两级保护电路，包括限压保护电路和限流保护电路，所述限压保护电路一端接入非安电源信号、另一端连接所述限流保护电路，所述限流保护电路末端的输出端信号接出给矿用仪器仪表；所述限流保护电路上连接有续流电路。
具体地，如图2所示，所述限压保护电路采用两级过压保护进行能量限制，所述限压保护电路包括MOS管Q1、MOS管Q2、第一过压保护器和第二过压保护器；所述限流保护电路采用两级限流保护进行能量限制，所述限流保护电路包括第一过流保护器、第二过流保护器、MOS管Q3、MOS管Q4，所述续流电路包括电阻R1和电阻R2；
所述MOS管Q1的源极与非安电源的电压输入端相连，所述MOS管Q1的栅极经过所述第一过压保护器后接地，所述MOS管Q1的漏极连接所述MOS管Q2的源极，所述第一过压保护器一端连接于所述MOS管Q1与所述MOS管Q2之间；所述MOS管Q2的栅极经过所述第二过压保护器后接地，所述MOS管Q2的漏极连接所述第一过流保护器，所述第一过流保护器连接MOS管Q3的源极，所述MOS管Q3的栅极连接所述第一过流保护器，所述MOS管Q3的漏极连接所述第二过流保护器，所述第二过流保护器连接所述MOS管Q4的源极，所述MOS管Q4的栅极连接所述第二过流保护器，所述MOS管Q4的漏极连接所述矿用仪器仪表；
所述电阻R1一端连接于所述第一过流保护器与所述MOS管Q3的源极之间、另一端连接于所述MOS管Q3的漏极与所述第二过流保护器之间，所述电阻R2一端连接于所述第二过流保护器与所述MOS管Q4的源极之间、另一端连接于所述MOS管Q4的漏极与所述矿用仪器仪表之间。
本实施例中，第一过压保护器和第二过压保护器均采用型号EM-001A的过压保护器，第一过流保护器和第二过流保护器均采用型号为JL-200的过流保护器。
其中，MOS管(metal oxide semiconductor)全称金属—氧化物—半导体场效应晶体管或称金属—绝缘体—半导体场效应晶体管，属于场效应管中的绝缘栅型，因此，MOS管有时候又称为绝缘栅场效应管。MOS管的特性：它具有输入阻抗高、驱动功率小、噪声低、热稳定性好，开关速度快；制造工艺简单、辐射强，因而通常被用于放大电路或开关电路，在本发明中MOS管的功能是电路开关功能，并且MOS管采用P型MOS管P(即P沟道MOS管)。
所述电阻R1和所述电阻R2均作为续流电阻，且所述电阻R1与所述电阻R2的阻值相等，R1＝R2＝100Ω；通过所述电阻R1、所述电阻R2的续流电路所能流过的最大电流为IX＝(Vin-ib_Vout)/(R1+R2)，Vin表示输入端电压值，ib_Vout表示输出端电压值。
图1是现有技术中的ib型电源安全栅电路图，本发明在现有ib电源安全栅的基础上，在用于关断回路的两级MOS管(MOS管Q1、Q2)上各增加了一个续流电阻R1、R2，其中R1＝R2＝R，形成了一个新的续流通路；在MOS管(MOS管Q1、Q2)误关断后，回路还可以通过续流电阻给后级设备供电，只不过此时ib电源安全栅的限制能量的需求是靠电阻限流来是实现的，故该电阻阻值不能选的过小，这是因为阻值过小，通过的电流会过大，无法起到限流的作用；有了该电阻R1、R2，当ib电源安全栅出现干扰错误关断，通过续流电阻R1、R2可以继续给设备供电；而如果后级设备容性负载较大的情况时，启动瞬间的电流大于ib电源安全栅过流保护点，MOS管(MOS管Q1、Q2)关断，此时通过电阻R1、R2还可以缓慢给后级设备中的电容进行充电，直到充满后设备重新启动。需要注意的是，通过电阻R1、R2的续流电路所能流过的最大电流为IX＝(Vin-ib_Vout)/(R1+R2)，其中，Vin表示输入端电压值，ib_Vout表示输出端电压值；当只有一级MOS管关断时，同时输出端短路情况下，此时续流通路流过电流最大，为IX＝Vin/R，电阻R的取值需要保证该续流通路满足两个要求，一是采用电阻进行限流，限制电流的大小需满足本安实验中的火花不点爆；二是电阻的功率需满足其最大功率的1.5倍，同时表面温度不超过150℃。
但是，如果直接在现有技术的图1中的MOS管(MOS管Q1、Q2)上面加续流电阻是不行的，因为电源安全栅的核心要点是限流和限压，直接在图1中MOS管Q1、Q2上面加限流电阻只能起到限流的作用，而起不到限压的作用，这是因为当前端输入电压Vin过高时，MOS管通过限压保护电路关断了MOS管Q1、Q2，但电压仍然会通过续流电阻串到ib_Vout中，导致输出电压过高，此时限压电路根本没有起到作用；为了解决这个问题，将限压保护电路单独分离出来，用MOS管进行控制，即本发明的图2中的MOS管Q1、Q2部分的控制电路，MOS管Q3、Q4则独立出来添加续流电阻。
本发明是在常规ib型电源安全栅的基础上，提出了一种增加续流电路的方案，在ib电源安全栅电路中对电流的监测是通过限流保护电路中的电流采样电阻实现的，Vin为非安电源端的输入端电压，ib型电源安全栅电路里的限流保护电路末端作为输出端连接矿用仪器仪表，在此过程中，干扰信号极易影响电阻采样值从而造成MOS管Q3、MOS管Q4异常关断，此时有电阻R1、电阻R2作为需要的续流电路，能够提供的电流比MOS管Q1、MOS管Q2开启时能够提供的电流小得多，但通常矿用仪器仪表的功耗并不大，续流电路仍然能否为设备提供必要的电源，使设备正常工作；另一方面，矿用仪器仪表如果负载电容较大时，启动瞬间导致MOS管Q3、MOS管Q4关断，通过电阻R1、电阻R2的续流电路，仍能将电容充满电，从而使MOS管Q3、MOS管Q4恢复正常工作，设备正常启动。
该发明方案主要应用于矿用ib安全栅上，并且适合于所有类似ib型安全栅这种使用MOS管作为开关元件进行限压限流的应用场合，因为基于该应用场景通常带载能力有限、抗干扰能力弱，通过本方案增加续流电路，在满足本安要求的情况下，可以提高容性负载带载能力和抗干扰能力。
实施例2
如图1至5所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中，第一过压保护器和第二过压保护器采用如图4所示的过压保护电路，第一过流保护器和第二过流保护器采用如图5所示的过流保护电路。
如图4所示，过压保护电路包括MOS管Q2(型号9015)，MOS管Q2的源极连接电压输入端正极，MOS管Q2的栅极经过电阻R2后连接MOS管Q1到电压输出端正极，MOS管Q2的漏极经过电阻R6连接电压输出端；电压输入端正极还连接有电阻R1，电阻R1与电阻R2的公共端、MOS管Q2的漏极之间并联有电阻R3；电压输入端正极还连接有串连的电阻R5和电阻R7,之后连接电压输出端；MOS管Q2的栅极还连接有电阻R4、二极管U1(型号TL431)，之后连接电压输出端，另外，电容C1与电阻R7并联。
如图5所示，过流保护电路包括定时器U5(型号555)和运算放大器U4A(型号LM393)，定时器U5的引脚4、引脚8连接Vin，Vin端通过电阻R21、电容C3连接到电压输入端负极VIN-，定时器U5的引脚6、引脚7均连接到电阻R21与电容C3之间，定时器U5的引脚1连接到VIN-、定时器U5的引脚5通过电容C4连接到VIN-，定时器U5的引脚2连接到运算放大器U4A的输出端，定时器U5的引脚3(即OUT引脚)通过电阻R23后连接MOS管Q5的栅极，MOS管Q5的源极连接到电压输出端负极Vout-，MOS管Q5的漏极通过电阻R19之后连接MOS管Q4的栅极，MOS管Q4的漏极通过电阻R12和MOS管Q3的栅极之后经OS管Q3的漏极连接到电压输出端正极Vout+，MOS管Q4的源极连接到MOS管Q3的源极上，MOS管Q3的源极和漏极之间并联一个电阻R8；运算放大器U4A的正向输入端经过电阻R9后连接到电压输入端正极VIN+，运算放大器U4A的负向输入端经过电阻R10后连接到电压输入端正极VIN+，电阻R10连接电阻R13，这两个电阻的支路上并联一个二极管U2，运算放大器U4A的引脚4接地，运算放大器U4A的引脚8接Vin。
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 (5)
1.一种带载能力强的ib电源安全栅电路，其特征在于：ib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ib电源安全栅电路采用两级保护电路，包括限压保护电路和限流保护电路，所述限流保护电路上连接有续流电路。
2.根据权利要求1所述的一种带载能力强的ib电源安全栅电路，其特征在于：所述限压保护电路采用两级过压保护，所述限压保护电路包括MOS管Q1、MOS管Q2、第一过压保护器和第二过压保护器；
所述MOS管Q1的源极与非安电源的电压输入端相连，所述MOS管Q1的栅极经过所述第一过压保护器后接地，所述MOS管Q1的漏极连接所述MOS管Q2的源极，所述第一过压保护器一端连接于所述MOS管Q1与所述MOS管Q2之间；所述MOS管Q2的栅极经过所述第二过压保护器后接地，所述MOS管Q2的漏极连接所述限流保护电路。
3.根据权利要求1所述的一种带载能力强的ib电源安全栅电路，其特征在于：所述限流保护电路采用两级限流保护，所述限流保护电路包括第一过流保护器、第二过流保护器、MOS管Q3、MOS管Q4，所述续流电路包括电阻R1和电阻R2；
所述第一过流保护器的一端连接所述限压保护电路、另一端连接MOS管Q3的源极，所述MOS管Q3的栅极连接所述第一过流保护器，所述MOS管Q3的漏极连接所述第二过流保护器，所述第二过流保护器连接所述MOS管Q4的源极，所述MOS管Q4的栅极连接所述第二过流保护器，所述MOS管Q4的漏极连接所述矿用仪器仪表；
所述电阻R1一端连接于所述第一过流保护器与所述MOS管Q3的源极之间、另一端连接于所述MOS管Q3的漏极与所述第二过流保护器之间，所述电阻R2一端连接于所述第二过流保护器与所述MOS管Q4的源极之间、另一端连接于所述MOS管Q4的漏极与所述矿用仪器仪表之间。
4.根据权利要求3所述的一种带载能力强的ib电源安全栅电路，其特征在于：所述电阻R1和所述电阻R2均作为续流电阻，且所述电阻R1与所述电阻R2的阻值相等。
5.根据权利要求4所述的一种带载能力强的ib电源安全栅电路，其特征在于：通过所述电阻R1、所述电阻R2的续流电路所能流过的最大电流为IX＝(Vin-ib_Vout)/(R1+R2)，Vin表示输入端电压值，ib_Vout表示输出端电压值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wu Jiale Inventor after: Gan Mei Inventor after: Wang Jianjun Inventor after: Zhou Junpeng Inventor after: Quan Taifeng Inventor after: Chen Bing Inventor before: Wu Jiale Inventor before: Gan Mei Inventor before: Zhou Junpeng Inventor before: Quan Taifeng Inventor before: Chen Bing |