CN1767299A - 电容短路火花能量释放器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容短路火花能量释放器，它主要由上电屏蔽电路1、短路检测电路2、电容能量释放电路3依次连接组成。所述的电容能量释放电路是由驱动电路3－1和能量释放电路3－2构成，或者是由能量释放电路3－1自身构成。该电容短路火花能量释放器主要用于煤矿、石化等危险性环境的监测、监控系统中，有效地减小了电容的短路火花故障能量；确保电压较高、且包含有大容量电容的电子设备能够安全地应用于危险性环境；使本质安全型或防爆电源的输出功率可以做得更大，且不会降低电源的效率，电路结构及控制方法更简单。

Description

电容短路火花能量释放器

技术领域

本发明属于一种电子产品，它主要用于煤矿、石化等危险性环境，确切地说是一种电源设备或其他电子产品中的电容短路火花能量释放器。

背景技术

电容属于储能元件，其储存的能量与其电压的平方呈正比。如果将具有一定电压的电容元件短路，会在极短的时间内产生较大的火花能量。而如果具有电容元件的电路或系统，如直流电源等应用于存在易燃、易爆气体的危险型环境，当电容上储存的能量大到一定程度时，因短路产生的火花能量将会引爆危险性气体或它们的混合物。因此，为了电路或系统和危险型环境的安全，有关标准对电容的大小及其所对应的电压作出了严格的规定，以使电容因故出现短路时，产生的火花能量足够的小。电源是煤矿、石化等危险性环境监测、监控系统电子设备的重要组成部分，且是电子设备中功率较大的部件，其输出端通常包含有容量较大的滤波电容，电源的输出电压也较高(如18V、24V等)，因此，一旦出现短路等故障，其产生的电火花必然会引爆易燃、易爆气体，给人民的生命安全和国家财产损失带来严重隐患，显然是不能满足本质安全要求的。因此，为了使含有容量较大电容的电源或电子设备安全地应用于危险型环境中，就必须串接一些能量限制电路或采取一些能量限制或释放手段，将故障火花能量限制在足够小的范围内。目前解决问题的办法是：①在电容的输出端串接限流电阻来限制短路火花放电的能量。缺点是：由于增加了电阻，电源的效率降低，不利于实现大功率。②在输出端增加一个稳压限流环节，限制电容器的短路电流。缺点是：降低转换效率，并且必须采取多重化措施以提高可靠性。③采取增频法提高频率，减小电源的输出滤波电容，从而减小输出短路放电火花能量，但是电路结构和控制方法比较复杂。另外，目前采用的电源为了防爆，在电源体外设有隔爆外壳，它不但增加了设备重量，而且散热性差，同时也加大了设备成本。据统计，目前中国的各类型煤矿约有2.6万个，其中大、中型煤矿3000多个，关键问题是监测、监控系统不健全，存在很多隐患，所以设备改进迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提供一种电容短路火花能量释放器，将其并接在滤波电容的两端。当正常工作时，能量释放电路断开，只有很小的漏电流流过该电路，损耗甚微；而当输出出现短路故障时，能量释放电路开通，通态电阻接近于零，电容的能量被很快释放掉，使故障短路火花能量急剧减小，从而将故障火花能量限制在足够小的范围内。

本发明是以下列技术方案来实现：该电容短路火花能量释放器由上电屏蔽电路、短路检测电路和能量释放电路三部分依次连接组成。也就是说上电屏蔽电路连接到短路检测电路，短路检测电路连接到能量释放电路，其中电容能量释放电路是由驱动电路和能量释放电路构成，或者是由能量释放电路自身构成。所述的上电屏蔽电路是由电容C1、电阻R1串接后与二极管D1的阴极连接而成。所述的短路检测电路主要由取样电阻R2和R3、在电阻R2与电阻R3的连接点接一基准电压源U1构成；或者由取样电阻R2和R3，稳压二极管ZD1，在电阻R2与电阻R3连接点接一运放或比较器电路U1构成；或者由取样电阻R2和R3，稳压二极管ZD1及由三极管VT3和VT4组成的两极放大电路所构成。所述电容能量释放电路是由开关管VT2及其栅极上的下拉或延时电阻R6、漏极上的限流电阻Rd构成。或者主要由二极管D2、功率放大三极管VT1构成的驱动电路及由开关管VT2、限流电阻Rd、下拉或延时电阻R6构成的能量释放电路组成。

本发明有效地减小了电容的短路火花故障能量；确保电压较高、且包含有大容量电容的电子设备能够安全地应用于危险性环境；使本质安全型电源的输出功率可以做得更大，且不会降低电源的效率，电路结构及控制方法更简单；在电源体外不设隔爆外壳，所以散热性好，设备重量没有增加，同时降低了设备成本。

附图说明

图1是电容短路火花能量释放器原理框图。

图2是电容短路火花能量释放器实施例一工作原理图。

图3是电容短路火花能量释放器实施例二工作原理图。

图4是电容短路火花能量释放器实施例三工作原理图。

图5是电容短路火花能量释放器实施例四工作原理图。

图6是电容短路火花能量释放器实施例五工作原理图。

图7是电容短路火花能量释放器实施例六工作原理图。

具体实施方式

结合附图对本发明的整体结构及其工作原理作具体详细的说明：

图1所示，电容短路火花能量释放器，它由上电屏蔽电路1、短路检测电路2及电容能量释放电路3依次连接组成，也就是说上电屏蔽电路连接到短路检测电路，短路检测电路连接到电容能量释放电路，所述的电容能量释放电路是由开关驱动电路3-1和能量释放电路3-2构成，或者是由能量释放电路3-1自身构成。实际应用时本发明电路的两个输出端子A和B分别接电容C0电压的“+”和“-”端，(本设计不包括电容C0)。其工作原理为，短路检测电路通过检测电流或电容两端的电压，判断短路故障是否发生。当检测到电路中的电流超过某一设定值或电压降低到低于某一设定值时，判定发生短路；由短路检测电路发出信号，使能量释放电路的功率开关管快速导通，电容通过限流电阻和功率开关管释放能量，延时一段时间(电容两端的电压放电到接近于零，即电容能量已释放完毕)后，开关关断，电路恢复到原来的状态。因此，短路故障发生时，电容的能量将主要通过能量释放电路释放，而因输出端短路故障而产生的火花能量达到限制。上电屏蔽电路的作用是保证电路能正常起动。

图2给出本发明的实施例一，实际应用时本发明电路的两个输出端子A和B分别接电容C0的电压的“+”和“-”端，本设计不包括虚线框内的部分。其中上电屏蔽电路1是由电容C1、电阻R1串接后与二极管D1阴极连接而成；短路检测电路2主要由取样电阻R2和R3、在电阻R2与电阻R3连接点接基准电压源U1构成；电容能量释放电路3是由二极管D2、下拉电阻R5、下拉(或延时)电阻R6、电阻Rc和三极管VT1构成的功率开关驱动电路及由限流电阻Rd和开关管VT2构成的能量释放电路组成。其中开关管VT2可采用三极管、MOS管或IGBT等其它可控开关管。工作原理是：电阻R2和R3是电容电压取样电阻，正常工作时，输出电压在取样电阻R3上的分压大于2.5V，使U1一直维持导通，U1的阴极2端输出为低电平，开关管VT2截止，整个电路处于关断状态；当有短路故障发生时，一旦在电阻R3上的分压小于2.5V，U1的2端就变为高电平，开关管VT2导通，整个电路处于低阻导通状态，电容C0通过限流电阻Rd和开关管VT2快速释放能量。在上电的开始阶段，电压通过限流电阻R1、电容C1直接加到U1的3端(R1<<R2，C1相当于短路)，使得在开始一段时间U1的2脚为低电平，开关管VT2截止，保证电路的正常启动。而当有短路故障发生时，开关管VT2导通使电容C1通过二极管D1快速放电，为再次启动作好准备。

图3给出了本发明的实施例2，它与图2相比，短路检测电路主要由取样电阻R2和R3，稳压二极管ZD1，运算放大器或比较器电路U1(LM358或其它型号)及电阻R4、Rz构成；除此之外，其余部分与图2相同。其工作原理为：电阻R2和R3是电容C0分压取样电阻，正常工作时，输出电压在电阻R3上的分压大于稳压二极管ZD1的电压，使运放或比较器U1的输出一直为低电平，开关管VT2(IRF540)截止，整个电路处于关断状态；当有短路故障发生时，一旦在电阻R3上的分压小于稳压二极管ZD1的电压，运放或比较器U1的输出端就变为高电平，开关管VT2导通，整个电路处于低阻导通状态，电容C0通过电阻Rd和开关管VT2快速释放能量。在上电的开始阶段，电压通过电阻R1、电容C1直接加到U1的反相端(R1<<R2，C1相当于短路)，使得在开始一段时间U1的输出为低电平，开关管VT2截止，保证电路的正常启动。而当有短路故障发生时，VT2导通使电容C1通过二极管D1快速放电，为再次启动作好准备。

图4给出了本发明的实施例3，它也是图2的一种变化形式，与图2相比，所述电容能量释放电路3是由开关管VT2(IRF540)及其栅极上的下拉或延时电阻R6、漏极上的限流电阻Rd构成。也就是说：本发明的整个电路中取掉了开关管驱动电路3-1，直接由基准电压源U1(TL431)的阴极通过二极管D2接到开关管VT2的栅极，其它电路与图2相应部分相同。其工作原理为：正常工作时，输出电压在电阻R3上的分压大于2.5V，使基准电压源U1一直维持导通，U1的2端输出为低电平，开关管VT2截止，整个电路处于关断状态；当有短路故障发生时，一旦在电阻R3上的分压小于2.5V，U1的2端就变为高电平，VT2导通，整个电路处于低阻导通状态，电容C0通过电阻Rd和VT2快速释放能量。

图5给出了本发明的实施例4，它实际上是图3的一种变化形式，取掉了开关管驱动电路，直接由运放或比较器U1(LM358或其它型号)的输出通过限流电阻R4接到功率开关管VT2(IRF540)的栅极，其它电路与图3中相应部分相同。其工作原理为：电阻R2和R3是电容电压取样电阻，正常工作时，输出电压在电阻R3上的分压大于稳压二极管ZD1的电压，使运放或比较器U1的输出一直为低电平，开关管VT2截止。整个电路处于关断状态；当有短路故障发生时，一旦在电阻R3上的分压小于稳压二极管ZD1的电压，运放或比较器U1的输出端就变为高电平，开关管VT2导通，整个电路处于低阻导通状态，电容C0通过电阻Rd和开关管VT2快速释放能量。

图6给出了本发明的实施例5，实际上也是图2的一种变化形式，它与图2相比，短路检测电路主要由电阻R2、R3，稳压二极管ZD1及三极管VT3和VT4组成的两极放大电路所构成，其他部分电路与图2相应部分相同。短路检测电路的连接形式是电阻R2与R3相接的连接点接到三极管VT3的基极，电阻R3与稳压二极管ZD1串联，VT3的发射极接电源的正端，VT3的集电极通过电阻R4接到三极管VT4的基极，VT4的集电极分别接三极管VT1的基极和通过电阻R8接电源正端，二极管D1的阴极通过电阻R9接到VT4的基极。其原理为：正常工作时，电容C0的电压减去稳压二极管ZD1的电压仍大于三极管VT3的发射结压降，则三极管VT3和VT4导通、三极管VT1和开关管VT2(IRF540)截止，整个电路处于关断状态；当有短路故障发生时，一旦电容C0的电压减去稳压二极管ZD1的电压小于三极管VT3的发射结压降，则三极管VT3和VT4截止、三极管VT1和开关管VT2导通，整个电路处于低阻导通状态，电容C0通过限流电阻Rd和开关管VT2快速释放能量。在上电的开始阶段，电压通过电容C1、电阻R1和R9直接加到VT4的基极(C1相当于短路)，使得在开始一段时间三极管VT4导通、其集电极为低电平，三极管VT1和VT2截止，保证电路的正常启动。而当有短路故障发生时，开关管VT2导通，使电容C1通过二极管D1快速放电，为再次启动作好准备。

图7给出了本发明的实施例6，它是图6的一种变化形式，与图6相比：所述电容能量释放电路3是由开关管VT2(IRF540)及其栅极上的下拉或延时电阻R6、漏极上的限流电阻Rd构成。即电容能量释放电路去掉了驱动电路部分，直接由放大三极管VT4的集电极接到开关管VT2的栅极，其他部分电路与图6的相应部分相同。其工作原理为：正常工作时，电容C0的电压减去稳压二极管ZD1的电压仍大于三极管VT3的发射结压降，则放大三极管VT3和VT4导通、开关管VT2截止，整个电路处于关断状态；当有短路故障发生时，一旦电容C0的电压减去ZD1的电压小于三极管VT3的发射结压降，则VT3和VT4截止、开关管VT2导通，整个电路处于低阻导通状态，电容C0通过限流电阻Rd和VT2快速释放能量。在上电的开始阶段，电压通过电容C1、电阻R1和R9直接加到VT4的基极(C1相当于短路)，使得在开始一段时间VT4导通、其集电极为低电平，VT2截止，保证电路的正常启动。而当有短路故障发生时，VT2导通使C1通过二极管D1快速放电，为再次启动作好准备。

以上所述的图中，电阻Rc或Rd均可以直接短路，而电路的工作原理不变。电容短路火花能量释放器除了以上列出的实施方式外，能实现电容短路火花能量释放器的方案还有很多。考虑到电路检测灵敏度、放电的快速程度及电路工作的安全可靠性等，列举的实施例一电路是较佳方案。

Claims (5)

1、一种电容短路火花能量释放器，其特征是它由上电屏蔽电路(1)、短路检测电路(2)及电容能量释放电路(3)依次连接组成，其中所述的电容能量释放电路是由开关驱动电路(3-1)和能量释放电路(3-2)构成，或者是由能量释放电路(3-1)自身构成。

2、根据权利要求1所述的电容短路火花能量释放器，其特征是上电屏蔽电路(1)是由电容C1、电阻R1串接后与二极管D1负极连接而成。

3、根据权利要求1所述的电容短路火花能量释放器，其特征是短路检测电路(2)主要由取样电阻R2和R3、在电阻R2与电阻R3的连接点接一基准电压源U1构成；或者由取样电阻R2和R3，稳压二极管ZD1，在电阻R2与电阻R3连接点接一运放或比较器电路U1构成；或者由电阻R2和R3，稳压二极管ZD1及三极管VT3和VT4两极放大电路所构成。

4、根据权利要求1所述的电容短路火花能量释放器，其特征是所述电容能量释放电路(3)是由开关管VT2及其栅极上的下拉或延时电阻R6、漏极上的限流电阻Rd构成，其中限流电阻Rd可以直接短路。

5、根据权利要求1所述的电容短路火花能量释放器，其特征是所述的电容能量释放电路(3)主要由二极管D2、三极管VT1构成的功率开关驱动电路及由开关管VT2、限流电阻Rd、下拉或延时电阻R6构成的能量释放电路组成，其中限流电阻Rd可以直接短路。

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