CN219678105U - 一种本质安全输出保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种本质安全输出保护电路，包括串接在隔离直流电源和本安用电设备之间的本安保护电路，本安保护电路包含有第一保护单元和第二保护单元，第一保护单元的输入端作为本安保护电路的输入端，第二保护单元的输出端作为本安保护电路的输出端；第一保护单元的输出端与第二保护单元的输入端相连；第一保护单元的电源端与第二保护单元的电源端连接的同时，与本安保护电路的输入端串联连接；第一保护单元的控制端与第二保护单元的控制端相连。在限制过流的同时将输出电流减小至一定水平，而非完全关断输出电流，可以在降低器件功耗同时保证用电设备的安全。

Description

一种本质安全输出保护电路

技术领域

本实用新型涉及电路保护领域，尤其涉及一种本质安全输出保护电路。

背景技术

目前，使用于爆炸性气体环境下的传感器或者其他本质安全设备必须满足相应的防爆要求，这些传感器或者其他本质安全设备需要由关联设备提供本安电源以供电。本安电源输出在标准规定条件下其产生的任何火花或热效应均不能点燃爆炸性气体。其中，放电火花能量与放电电流、放电电压、放电时间有密切联系，因此需要将放电火花能量限制在一定安全范围之内。

一般情况下，本安电源对输出都设置有限流、限压的保护电路。这些保护电路实施限流的方案一般有截止型、限流型等。其中，截止型保护电路通常包含电子开关及相应的控制电路，原理是依据实时检测被保护本质安全设备的电流状况来控制输出开关，负载故障状态下彻底关断输出；限流型保护电路则是检测输出电流状况，设定保护电路输出上限，当本质安全设备电流达到上限值时，则进入恒流状态使本质安全设备电流不再继续增加。

截止型保护电路的优点在于输出功率较大，缺点是接感性负载能力偏弱；限流型保护电路的优点在于电路结构简单，缺点是当本质安全设备发生短路时限流器件的发热较高，因此限流器件功耗高。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种本质安全输出保护电路，旨在解决上述现有技术中不同保护电路中存在的技术问题，

为解决以上技术问题，本实用新型的技术方案为提供一种本质安全输出保护电路，包括串接在隔离直流电源和本安用电设备之间的本安保护电路，所述本安保护电路包含有第一保护单元和第二保护单元，所述第一保护单元的输入端作为所述本安保护电路的输入端，所述第二保护单元的输出端作为所述本安保护电路的输出端；所述第一保护单元的输出端与所述第二保护单元的输入端相连；所述第一保护单元的电源端与所述第二保护单元的电源端连接的同时，与所述本安保护电路的输入端串联连接；所述第一保护单元的控制端与所述的第二保护单元的控制端相连。

可选的，所述第一保护单元的接地端与所述第二保护单元的接地端相连，并连接有地线。

可选的，所述第一保护单元和所述第二保护单元均包含有用于电流检测的第一子电路和用于电压检测的第二子电路。

可选的，所述第一子电路包含有第一比较器、晶体管、第一稳压器，具体的，

所述第一稳压器用于根据所述本安保护电路的输入提供参考电压，所述第一比较器的同相输入端连接有串联电阻R2和R10，所述第一比较器的反相输入端还连接有用于平衡所述第一比较器失调电流的单电阻R3；

所述晶体管的基极与所述第一稳压器的输出端相连，且在所述第一稳压器的输出端与所述晶体管的基极之间还设置有用于承担所述第一稳压器低输出时的固定压降的第一二极管，以及用于限制所述晶体管的基极限流和所述第一二极管的偏置电流的单电阻R6。

可选的，所述串联电阻R2和R10构成分压器，用于设置过流检测阈值。

可选的，所述晶体管为PNP型三极管。

可选的，所述第一子电路还包括有所述第一比较器的上拉电阻R7。

可选的，所述第二子电路包含有第二比较器和第二稳压器，具体的，

所述第二稳压器用于根据所述接地端的输出提供参考电压，所述第二比较器的同相输入端连接所述第二稳压器的输出端，所述第二比较器的反相输入端连接有串联电阻R8和R11，所述第二比较器的输出端连接有用于隔离高电位信号，单相传递低电位信号的第二二极管。

可选的，所述串联电阻R8和R11构成分压器，用于对输出端的电压进行检测。

可选的，所述第二子电路还包括有所述第二比较器的上拉电阻R5。

本实用新型提供了一种本质安全输出保护电路，包括串接在隔离直流电源和本安用电设备之间的本安保护电路，本安保护电路包含有第一保护单元和第二保护单元，第一保护单元的输入端作为本安保护电路的输入端，第二保护单元的输出端作为本安保护电路的输出端；第一保护单元的输出端与第二保护单元的输入端相连；第一保护单元的电源端与第二保护单元的电源端连接的同时，与本安保护电路的输入端串联连接；第一保护单元的控制端与第二保护单元的控制端相连。当被保护电路发生过流故障时输出不会彻底关断至零，而是输出电流的有效值较少至正常输出电流的若干分之一，以此实现减流功能，有利于接感性负载，相比纯限流型限流电路的发热更低。同时，开关器件不会进入深度饱和状态，具有一定压降，配合其他外围器件能提高输出异常发生时的关断速度，还可以实现输出故障解除后保护电路的自恢复功能，保证用电设备的安全。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本实用新型一实施例提供的一种本质安全输出保护电路的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例提供的保护单元的电路示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本实用新型实施例，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本安保护电路串联设置于隔离直流电源与本安用电设备之间，其中，格力直流电源和本安保护电路一起置于隔爆外壳中，本安用电设备置于爆炸性气体场合。

如图1所示，是本实施例提供的一种本质安全输出保护电路的结构示意图。

该本安保护电路由结构相似的第一保护单元和第二保护单元组成，该第一保护单元和第二保护单元均包含有输入端In、输出端Out、接地端GND、电源端Vs、控制端Ctrl。

其本安保护电路内部连接关系为：本安保护电路的输入接第一保护单元的输入In，本安保护电路的输出接第二保护单元的输出Out，第一保护单元的输出端Out与第二保护单元的输入端In相连。第一保护单元的电源端Vs与第二保护单元的电源端Vs相连，同时，与输入端In相连，第一保护单元的接地端GND与第二保护单元的接地端GND相连，第一保护单元的控制端Ctrl与第二保护单元的控制端Ctrl相连。

进一步的，参照图2，对保护单元的电路结构进行详细说明。

基于第一保护单元和第二保护单元结构相似，本实施例仅以第一保护单元的电路结构进行详细说明，第二保护单元不再进行赘述。

第一保护单元主要包括第一比较器U2、第二比较器U3、晶体管Q1、第一稳压器U1和第二稳压器U4组成，具体的，包含用于电流检测的第一子电路和用于电压检测的第二子电路。

其中，第一子电路主要包含有第一比较器U2、第一稳压器U1和晶体管。第一稳压器U1用于为电流检测功能提供参考电压(对输入端In参考)，第一比较器U2的同相输入端连接有串联电阻R2和R10，且电阻R2和R10构成分压器，用于设置过流检测阈值；第一比较器的反相输入端还连接有用于平衡第一比较器U2失调电流的单电阻R3。此外，R1为电流采样电阻，R12用于限制第一稳压器U1的偏置电流，晶体管Q1选择为PNP型三极管，具体作为开关管/减流器件。电阻R6用于限制晶体管Q1的基极限流和第一二极管D1的偏置电流，电容C1用作关断加速电容，电容C2用作交流信号正反馈电容，R5作为第一比较器U2的上拉电阻，第一二极管D1用于承担第一比较器U2低输出时出现的固定压降，目的是与电阻R6和电容C1共同防止晶体管Q1进入深度饱和状态，以快速响应输出异常事件。

第二子电路主要包含有第二比较器U3和第二稳压器U4。第二稳压器U4用于为电压检测功能提供参考电压(对地GND参考)，参考电压输出端接第二比较器U3同相输入端，电阻R8和R11构成分压器，用于对对输出端Out的电压进行检测同时接比较器U3反相输入端。电阻R7为上拉电阻，第二电容D2用于实现隔离高电位信号，单相传递低电位控制信号。

进一步的，根据第一比较器U2同相输入端与反相输入端的电压比较大小以及第二比较器U3同相输入端与反相输入端的电压比较大小进行异常判定，具体的表现为：

正常情况下(输出未过压发生)，第二比较器U3同相输入端电压高于反相输入端电压，第二比较器U3输出高，最终对晶体管Q1状态无影响。

异常情况下(输出过压发生)，第二比较器U3同相输入端电压低于反相输入端电压，第二比较器U3输出拉低，传递值第一比较器U2反相输入端，第一比较器U2输出高，迫使晶体管Q1关断。

正常情况下(输出未超流)，第一比较器U2同相输入端电压小于反相输入端电压，第一比较器U2输出拉低至低点位，第一二极管D1导通，晶体管Q1导通。

异常情况下(超过设定的电流检测阈值)时，第一比较器U2同相输入端电压大于反相输入端电压，第一比较器U2输出迅速标高，与此同时，晶体管Q1集电极电流减小，集电极电压降低，通过电容C2形成的反馈，迅速拉低第一比较器U2的反相输入端，使得第一比较器U2输入过驱，第一比较器U2输出加速变高，以此实现异常状态的快速响应。通过调节元件参数，异常状态下晶体管Q1不会彻底关断而是使输出电流降低至一定水平，以此实现减流作用。

进一步的，在晶体管Q1集电极电流(负载电流)短暂降低后，电容C2通过R3充电，第一比较器U2反相输入端电压升高，当第一比较器U2反相输入端电压升高至高于同相输入端电压后，第一比较器U2输出未低，晶体管Q1再次导通，导致Q1集电极电压升高，电容C1通过R3放电。若输出正常，则所有器件将恢复/复位至之前晶体管Q1正常导通的状态，以此实现保护电路的自恢复功能；若输出依然异常(短路或过流)，则会重复以上保护过程，晶体管Q1进入循环保护的状态，直至输出回到正常，实现了电路保护为止。

本实施例提供的一种本质安全输出保护电路，包括串接在隔离直流电源和本安用电设备之间的本安保护电路，本安保护电路包含有第一保护单元和第二保护单元，第一保护单元的输入端作为本安保护电路的输入端，第二保护单元的输出端作为本安保护电路的输出端；第一保护单元的输出端与第二保护单元的输入端相连；第一保护单元的电源端与第二保护单元的电源端连接的同时，与本安保护电路的输入端串联连接；第一保护单元的接地端与第二保护单元的接地端相连，并连接有地线；第一保护单元的控制端与第二保护单元的控制端相连。当被保护电路发生过流故障时输出不会彻底关断至零，而是输出电流的有效值较少至正常输出电流的若干分之一，以此实现减流功能，有利于接感性负载，相比纯限流型限流电路的发热更低。同时，开关器件不会进入深度饱和状态，具有一定压降，配合其他外围器件能提高输出异常发生时的关断速度，还可以实现输出故障解除后保护电路的自恢复功能，保证用电设备的安全。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种本质安全输出保护电路，其特征在于，包括串联在隔离直流电源和本安用电设备之间的本安保护电路，所述本安保护电路包含有第一保护单元和第二保护单元，所述第一保护单元的输入端作为所述本安保护电路的输入端，所述第二保护单元的输出端作为所述本安保护电路的输出端；所述第一保护单元的输出端与所述第二保护单元的输入端相连；所述第一保护单元的电源端与所述第二保护单元的电源端连接的同时，与所述本安保护电路的输入端串联连接；所述第一保护单元的控制端与所述第二保护单元的控制端相连，所述第一保护单元和所述第二保护单元均包含有用于电流检测的第一子电路和用于电压检测的第二子电路，所述第一子电路包含有第一比较器、晶体管、第一稳压器，具体的，所述第一稳压器用于根据所述本安保护电路的输入提供参考电压，所述第一比较器的同相输入端连接有串联电阻R2和R10，所述第一比较器的反相输入端还连接有用于平衡所述第一比较器失调电流的单电阻R3；所述晶体管的基极与所述第一稳压器的输出端相连，且在所述第一稳压器的输出端与所述晶体管的基极之间还设置有用于承担所述第一稳压器低输出时的固定压降的第一二极管，以及用于限制所述晶体管的基极限流和所述第一二极管的偏置电流的单电阻R6。

2.根据权利要求1所述的一种本质安全输出保护电路，其特征在于，所述第一保护单元的接地端与所述第二保护单元的接地端相连，并连接有地线。

3.根据权利要求1所述的一种本质安全输出保护电路，其特征在于，所述串联电阻R2和R10构成分压器，用于设置过流检测阈值。

4.根据权利要求1所述的一种本质安全输出保护电路，其特征在于，所述晶体管为PNP型三极管。

5.根据权利要求1所述的一种本质安全输出保护电路，其特征在于，所述第一子电路还包括有所述第一比较器的上拉电阻R7。

6.根据权利要求2所述的一种本质安全输出保护电路，其特征在于，所述第二子电路包含有第二比较器和第二稳压器，具体的，

所述第二稳压器用于根据所述接地端的输出提供参考电压，所述第二比较器的同相输入端连接所述第二稳压器的输出端，所述第二比较器的反相输入端连接有串联电阻R8和R11，所述第二比较器的输出端连接有用于隔离高电位信号，单相传递低电位信号的第二二极管。

7.根据权利要求6所述的一种本质安全输出保护电路，其特征在于，所述串联电阻R8和R11构成分压器，用于对输出端的电压进行检测。

8.根据权利要求6所述的一种本质安全输出保护电路，其特征在于，所述第二子电路还包括有所述第二比较器的上拉电阻R5。