RU2812966C1 - Intrinsically safe power supply with battery support and combined protection - Google Patents
Intrinsically safe power supply with battery support and combined protection Download PDFInfo
- Publication number
- RU2812966C1 RU2812966C1 RU2023109733A RU2023109733A RU2812966C1 RU 2812966 C1 RU2812966 C1 RU 2812966C1 RU 2023109733 A RU2023109733 A RU 2023109733A RU 2023109733 A RU2023109733 A RU 2023109733A RU 2812966 C1 RU2812966 C1 RU 2812966C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- intrinsically safe
- transistor
- resistor
- Prior art date
Links
- 230000004224 protection Effects 0.000 title abstract description 15
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 abstract description 2
- 238000001994 activation Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005065 mining Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 2
- 239000008186 active pharmaceutical agent Substances 0.000 description 1
- 239000002817 coal dust Substances 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 230000003245 working effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к горной промышленности, а именно к искробезопасным источникам питания, и может быть использовано в системах автоматизации, где необходимо использование искробезопасных источников питания и оборудования.The invention relates to the mining industry, namely to intrinsically safe power supplies, and can be used in automation systems where the use of intrinsically safe power supplies and equipment is necessary.
Известен искробезопасный автономный источник питания (RU2652729, опубл. 28.04.2018 г.), состоящий из аккумуляторной батареи, выход которой соединён с входом преобразователя постоянного напряжения в постоянное, в качестве ограничивающего элемента используется последовательно включенный транзистор, управление которым осуществляется с помощью датчика тока. Недостатком изобретения является использование в качестве ограничителя тока включенного последовательно полупроводникового компонента, что не соответствует действующим требованиям искробезопасности для уровня ia, в том числе при условии троирования. Вторым недостатком является использование микроконтроллера с аналогово-цифровым преобразователем, что усложняет программную часть устройства.An intrinsically safe autonomous power supply is known (RU2652729, published April 28, 2018), consisting of a rechargeable battery, the output of which is connected to the input of a DC-to-DC converter; a series-connected transistor is used as a limiting element, which is controlled using a current sensor. The disadvantage of the invention is the use of a semiconductor component connected in series as a current limiter, which does not comply with the current intrinsic safety requirements for level ia, including when tripled. The second disadvantage is the use of a microcontroller with an analog-to-digital converter, which complicates the software part of the device.
Известна цепь искробезопасного ограничивающего напряжение параллельного стабилизатора (RU2673673, опубл. 29.11.2018 г.), которая использует шунтирующие элементы для ограничения напряжения. Цепь заменяет собой классическую связку ограничения напряжения «стабилитрон-предохранитель», что позволяет избавиться от избыточного сопротивления в силовой цепи для уменьшения потерь на внутренних цепях устройства. Из недостатков следует отметить излишнюю сложность схемы, а также невозможность использования такой схемы в цепях, где максимальное напряжение может достигать больше 13В, так как напряжение каток-анод для TLVH431 по технической документации может быть не более 20В, а по требованиям ГОСТ 31610.11–2014 (IEC 60079–11:2011), должен выдерживаться запас по уровню напряжения 1,5 раза. A known circuit is an intrinsically safe voltage-limiting parallel stabilizer (RU2673673, published November 29, 2018), which uses shunt elements to limit voltage. The circuit replaces the classic “zener diode-fuse” voltage limiting connection, which allows you to get rid of excess resistance in the power circuit to reduce losses on the internal circuits of the device. Among the disadvantages, it should be noted the excessive complexity of the circuit, as well as the impossibility of using such a circuit in circuits where the maximum voltage can reach more than 13V, since the roller-anode voltage for TLVH431 according to the technical documentation can be no more than 20V, and according to the requirements of GOST 31610.11–2014 ( IEC 60079–11:2011), a voltage margin of 1.5 times must be maintained.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является искробезопасный источник питания (RU2652729, опубл. 28.04.2018 г.), состоящий из блока питания, выход которого соединён со входом стабилизатора напряжения, соединённым с блоком искрозащиты, включающем в себя последовательно включённый полупроводниковый ключ со схемой управления, собранной на дифференциальном усилителе, сумматоре и триггере. Недостатком такого устройства является использование полупроводникового ключа в последовательном включении, а также использование сумматора, что значительно уменьшает скорость срабатывания защиты. The closest to the invention in technical essence is an intrinsically safe power supply (RU2652729, published on April 28, 2018), consisting of a power supply unit, the output of which is connected to the input of a voltage stabilizer connected to an intrinsically safe unit, which includes a series-connected semiconductor switch with a circuit control, assembled on a differential amplifier, adder and trigger. The disadvantage of such a device is the use of a semiconductor switch in series connection, as well as the use of an adder, which significantly reduces the speed of protection operation.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в независимости систем защит, а также использовании комбинированной системы детектирования короткого замыкания. The invention is based on the technical problem of independence of protection systems, as well as the use of a combined short-circuit detection system.
Технический результат заявляемого изобретения - увеличение коэффициента полезного действия устройства, обеспечение искробезопасности согласно требованиям ГОСТ 31610.11-201 и применение дополнительного узла ограничения мощности для исключения ложных срабатываний основных независимых каскадов при высоком импульсном характере тока нагрузки. The technical result of the claimed invention is an increase in the efficiency of the device, ensuring intrinsic safety in accordance with the requirements of GOST 31610.11-201 and the use of an additional power limiting unit to eliminate false triggering of the main independent cascades with a high pulsed nature of the load current.
Указанный технический результат достигается тем, что в отличии от прототипа, в изобретении в качестве узлов защиты используются три основных независимых каскада: узел ограничения напряжения (8) с параллельно включенным транзистором (11.1), узел ограничения тока (10) с параллельно включенным транзистором (11.2) и использующим в качестве детектирующего элемента последовательно включенный резистор шунта (9), узел ограничения скорости нарастания тока (7) с параллельно включенным транзистором (11.3) и использующим в качестве детектирующего элемента последовательно включенную индуктивность (6). This technical result is achieved by the fact that, unlike the prototype, the invention uses three main independent cascades as protection units: a voltage limiting unit (8) with a parallel-connected transistor (11.1), a current limiting unit (10) with a parallel-connected transistor (11.2 ) and using as a detecting element a series-connected shunt resistor (9), a unit for limiting the rate of current rise (7) with a parallel-connected transistor (11.3) and using a series-connected inductance (6) as a detecting element.
При этом выход блока питания подключен к входу зарядного устройства, один из выходов которого подключен к аккумуляторной батарее, а второй выход подключен к входу DC/DC преобразователя, выход которого подключен к входу предохранителя, выход которого подключен к входу индуктивности и через резистор искробезопасности к первому входу дифференциального усилителя и стабилитрону, выход индуктивности подключен к резистору шунта и через резистор искробезопасности ко второму входу дифференциального усилителя, выход которого подключен к положительному входу компаратора, к отрицательному входу которого подключено ограниченное по искробезопасности опорное напряжение, выход которого подключен через резистор искробезопасности к стабилитрону и через предохранитель к затвору транзистора, который подключен одним контактом к общему проводнику, а вторым – к выходу транзистора ограничения мощности, выход которого подключен к ограничивающему резистору и через искрозащитные резисторы к входу дифференциального усилителя и стабилитрону, а выход ограничивающего резистора к выходу источника питания и через резисторы искробезопасности ко второму входу дифференциального усилителя, выход которого подключен к отрицательному входу компаратора, к положительному входу которого подключено искробезопасное опорное напряжение, а выход через резисторы искробезопасности подключен ко входу стабилитрона и предохранителю, выход которого подключен к затвору транзистора ограничения мощности.In this case, the output of the power supply is connected to the input of the charger, one of the outputs of which is connected to the battery, and the second output is connected to the input of the DC/DC converter, the output of which is connected to the input of the fuse, the output of which is connected to the inductance input and through an intrinsically safe resistor to the first input of the differential amplifier and the zener diode, the inductance output is connected to the shunt resistor and through the intrinsic safety resistor to the second input of the differential amplifier, the output of which is connected to the positive input of the comparator, to the negative input of which is connected a reference voltage limited by intrinsic safety, the output of which is connected through an intrinsically safe resistor to the zener diode and through a fuse to the gate of the transistor, which is connected with one contact to the common conductor, and the second to the output of the power limiting transistor, the output of which is connected to the limiting resistor and through intrinsically safe resistors to the input of the differential amplifier and the zener diode, and the output of the limiting resistor to the output of the power supply and through intrinsically safe resistors to the second input of the differential amplifier, the output of which is connected to the negative input of the comparator, to the positive input of which an intrinsically safe reference voltage is connected, and the output through intrinsically safe resistors connected to the input of the zener diode and a fuse, the output of which is connected to the gate of the power limiting transistor.
Ложные срабатывания защит при наличие высоких импульсных токов нагрузки исключаются при помощи узла ограничения мощности (14) с последовательно включенным транзистором ограничения мощности (12) и использующим в качестве детектирующего элемента последовательно включенный ограничивающий резистор (13). В случае выхода из строя одного из типов защиты он не окажет никакого влияния на другие, что значительно повышает отказоустойчивость.False activations of protections in the presence of high pulse load currents are eliminated using a power limiting unit (14) with a power limiting transistor (12) connected in series and using a series-connected limiting resistor (13) as a detecting element. If one type of protection fails, it will not have any effect on the others, which significantly increases fault tolerance.
Использование схемотехники на дискретных элементах и операционных усилителях без возможности подстройки порогов срабатывания защит исключает ошибку настройки, связанную с человеческим фактором при обеспечении искробезопасности источника питания. The use of circuitry based on discrete elements and operational amplifiers without the possibility of adjusting the protection thresholds eliminates setting errors associated with the human factor when ensuring the intrinsic safety of the power source.
В данном изобретении впервые были применены сразу два типа токоограничения (по порогу и по скорости нарастания), а также последовательный неискробезопасный ключ, который в итоге сглаживает потребление и не приводит к ложным срабатываниям защит. Также из известного уровня техники неизвестно использование активных сопротивлений компонентов цепи для образования выходного делителя с нижним плечом из низкого сопротивления открытого канала транзистора, и итоговое ограничение тока резистором, которое необходимо согласно ГОСТ 31610.11-2014 для уровня безопасности ia с более низким напряжением, что требует меньшего сопротивления и мощности ограничителя и приводит к повышению КПД.In this invention, for the first time, two types of current limiting were used at once (by threshold and by rate of rise), as well as a sequential non-intrinsically safe switch, which ultimately smoothes out consumption and does not lead to false alarms of protection. Also unknown from the prior art is the use of active resistances of circuit components to form an output divider with a lower shoulder from the low resistance of the open channel of the transistor, and the resulting current limitation by a resistor, which is necessary according to GOST 31610.11-2014 for safety level ia with a lower voltage, which requires less resistance and power of the limiter and leads to increased efficiency.
На фиг. 1 показана структурная схема заявляемого искробезопасного источника питания. In fig. Figure 1 shows a block diagram of the proposed intrinsically safe power source.
На фиг. 2 приведена структурная схема эквивалентного делителя напряжения.In fig. Figure 2 shows a block diagram of an equivalent voltage divider.
Вход источника питания представляет собой AC/DC преобразователь (1). Данный узел обеспечивает понижение и гальваническую развязку входного напряжения, согласно требованиям искробезопасности (ГОСТ 31610.11-2014 (IEC 60079-11:2011)). The power supply input is an AC/DC converter (1). This unit provides reduction and galvanic isolation of the input voltage, in accordance with intrinsic safety requirements (GOST 31610.11-2014 (IEC 60079-11:2011)).
Блок зарядного устройства (2) обеспечивает бесперебойную работу источника в случае пропадания входного напряжения, подключая аккумулятор в цепь разряда, а также обеспечивает заряд и питание в случае наличия входной сети. The charger unit (2) ensures uninterrupted operation of the source in the event of a loss of input voltage by connecting the battery to the discharge circuit, and also provides charging and power if there is an input network.
Понижающий DC/DC преобразователь (4) выполнен в общепромышленном варианте и не имеет требований искробезопасности. Выход преобразователя (4) подключен к предохранителю (5). The DC/DC step-down converter (4) is made in a general industrial version and does not have intrinsic safety requirements. The output of the converter (4) is connected to the fuse (5).
Далее следуют цепи защиты. Выход предохранителя (5) подключён к входу индуктивности (6), которая является детектирующим элементом для защиты, отслеживающей скорость нарастания тока. В случае превышения заданного параметра узел ограничения скорости нарастания тока (7) откроет транзистор (11.3) и выход понижающего DC/DC преобразователя (4) будет подключен к общему проводнику. Next come the protection circuits. The fuse output (5) is connected to the inductor input (6), which is a detecting element for protection that monitors the rate of current rise. If the specified parameter is exceeded, the current rise rate limiting unit (7) will open the transistor (11.3) and the output of the step-down DC/DC converter (4) will be connected to the common conductor.
Выход индуктивности (6) подключен к входу резистора шунта (9). Он в свою очередь является детектирующим элементом для узла ограничения скорости нарастания тока (7), который при превышении установленного значения тока также шунтирует выход преобразователя (4) на общий проводник. The inductance output (6) is connected to the shunt resistor input (9). It, in turn, is a detecting element for the unit for limiting the rate of current rise (7), which, when the set current value is exceeded, also shunts the output of the converter (4) to a common conductor.
С выхода резистора шунта (9) ток идёт через последовательно включенный транзистор ограничения мощности (12) и ограничивающий резистор (13) на выход. Ограничивающий резистор (13) является детектирующим компонентом для узла ограничения мощности (14). В случае превышения потребителем мгновенного значения мощности, данная цепь будет производить ограничение, тем самым, не допуская ложных срабатываний цепей искрозащиты (7 или 10). From the output of the shunt resistor (9), the current flows through a series-connected power limiting transistor (12) and a limiting resistor (13) to the output. The limiting resistor (13) is the detection component for the power limiting unit (14). If the consumer exceeds the instantaneous power value, this circuit will perform a limitation, thereby preventing false triggering of the spark protection circuits (7 or 10).
Ограничение выходного напряжения осуществляется также с помощью параллельно включенного транзистора (11.1) и узла ограничения напряжения (8). The output voltage is also limited using a parallel-connected transistor (11.1) and a voltage limiting unit (8).
В случае срабатывания любой из защит (кроме ограничения по мощности) на выходе образуется делитель напряжения (фиг.2). В верхнем плече оказываются сопротивление предохранителя (rFU), активное сопротивление индуктивности (rL) и сопротивление резистора шунта. В нижнем – сопротивление открытого канала транзистора (rDS(ON)). В таком режиме для ограничения тока необходимо намного меньшее сопротивление ограничивающего резистора, чем при использовании его в стандартном включении, что приводит к меньшему падению напряжения и мощности, увеличивая КПД и стабильность выходного напряжения. If any of the protections (except for power limitation) is triggered, a voltage divider is formed at the output (Fig. 2). The upper arm contains the resistance of the fuse (r FU ), the active resistance of the inductance (r L ) and the resistance of the shunt resistor. At the bottom is the resistance of the open channel of the transistor (r DS(ON) ). In this mode, to limit the current, a much lower resistance of the limiting resistor is required than when using it in a standard connection, which leads to less voltage and power drop, increasing the efficiency and stability of the output voltage.
Область использования изобретения: подземные выработки шахт, опасных по газу (метану) и/или угольной пыли. Field of application of the invention: underground workings of mines hazardous due to gas (methane) and/or coal dust.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2812966C1 true RU2812966C1 (en) | 2024-02-06 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1567797A1 (en) * | 1988-07-05 | 1990-05-30 | Украинский Филиал Всесоюзного Научно-Исследовательского Института Горной Геомеханики И Маркшейдерского Дела | Spark-proof power-supply source |
| US6381114B1 (en) * | 2000-03-31 | 2002-04-30 | Micro Motion, Inc. | Integrated current source feedback and current limiting element |
| RU2479905C1 (en) * | 2011-09-30 | 2013-04-20 | Научно-исследовательская лаборатория автоматизации проектирования, общество с ограниченной ответственностью (НИЛ АП, ООО) | Intrinsically safe source of power supply |
| RU2652729C2 (en) * | 2016-08-31 | 2018-04-28 | Алексей Геннадиевич Карпов | Intrinsically safe self-contained power supply |
| RU2673673C2 (en) * | 2013-10-03 | 2018-11-29 | Фишер Контролз Интернешнел Ллс | Intrinsically safe voltage limiting shunt regulator circuit |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1567797A1 (en) * | 1988-07-05 | 1990-05-30 | Украинский Филиал Всесоюзного Научно-Исследовательского Института Горной Геомеханики И Маркшейдерского Дела | Spark-proof power-supply source |
| US6381114B1 (en) * | 2000-03-31 | 2002-04-30 | Micro Motion, Inc. | Integrated current source feedback and current limiting element |
| RU2479905C1 (en) * | 2011-09-30 | 2013-04-20 | Научно-исследовательская лаборатория автоматизации проектирования, общество с ограниченной ответственностью (НИЛ АП, ООО) | Intrinsically safe source of power supply |
| RU2673673C2 (en) * | 2013-10-03 | 2018-11-29 | Фишер Контролз Интернешнел Ллс | Intrinsically safe voltage limiting shunt regulator circuit |
| RU2652729C2 (en) * | 2016-08-31 | 2018-04-28 | Алексей Геннадиевич Карпов | Intrinsically safe self-contained power supply |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6126137B2 (en) | Safety switchgear with power supply | |
| US8848332B2 (en) | Intrinsically safe energy limiting circuit | |
| US3982173A (en) | AC-DC voltage regulator | |
| JPH0870575A (en) | Circuit and method for stabilizing ac line for high-power-factor load | |
| EP3996239B1 (en) | Troubleshooting method and apparatus for power supply device | |
| US20050168193A1 (en) | Charging circuit with two levels of safety | |
| Miao et al. | A self-powered bidirectional DC solid state circuit breaker using two normally-on SiC JFETs | |
| CN214380045U (en) | Direct current input composite protection device | |
| CN111224374B (en) | Protective circuit | |
| RU2812966C1 (en) | Intrinsically safe power supply with battery support and combined protection | |
| RU2502169C1 (en) | Device for protection of electronic instruments against high peak voltages in on-board network of transport vehicle | |
| CN108141030B (en) | Protect circuit | |
| US20140049263A1 (en) | An arrangement to monitor dc circuit condition | |
| JP2012244716A (en) | Protection circuit and electronic apparatus | |
| JPH06153382A (en) | Protective circuit for switching power supply | |
| RU149858U1 (en) | VOLTAGE RETURN CONVERTER WITH PROTECTIVE CIRCUIT DURING INPUT VOLTAGE | |
| KR101033218B1 (en) | Line voltage drop breaker, its method, multi receptacle embedded it, and electrical machinery embedded it | |
| RU188672U1 (en) | DEVICE FOR PROTECTION AGAINST VOLTAGE SWITCHES | |
| EP4287428A1 (en) | Overvoltage protection circuit | |
| KR101490872B1 (en) | Over voltage protection circuit including a function of latch mode or automatic reversion mode | |
| GB2572024A (en) | Charge initiator | |
| CN212723090U (en) | Protection circuit for insulation resistance tester | |
| CN212969049U (en) | Circuit protection device | |
| UA66523A (en) | Emitting device | |
| CN111697551B (en) | Voltage protection circuit and electronic equipment |