矿用本安电源的设计探讨

龙芃君

摘要：随着人们对安全的重视，本质安全型电路在矿井中的使用越来越广泛。本质安全型电路是指在正常工作和规定的故障条件下，产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。在矿井等存在易燃、易爆气体的工作环境中，需要电气设备考虑到电路中的电压、电流等情况，防止由于过流或过压产生的火花点燃井下气体引发事故。作为电气化装置的供电核心，电源成为本安电气设备的最关键环节，因此矿用本质安全型电源的技术水平和质量要求越来越受到人们的重视。本安电源是指在正常工作和故障状态下，其输出的最高电压、最大电流均具有本安性能的电源。本文主要就矿用本安电源的设计展开了探讨。

关键词：矿用；本安电源；设计

1、本安电源整体组成

本安电源整体组成原理框图如图1所示，变压器一次设有多个输入抽头，接线时只需根据现场的实际电压等级选用对应等级的抽头和公共零线接入即可。不同电压等级的交流输入经熔断器进隔离变压器相应的输入端，不管隔离变压器的一次选用那种电压等级，其二次输出都为33V。将变压器的输出连接到AC/DC转换器。AC/DC输出的直流电压，一路经充电电路对备用蓄电池充电，贮存电能；另一路经DC/DC稳压环节得到稳定的电源输出。为满足本质安全性能要求，采用截止式双重过流过压保护。当交流电停电时，蓄电池中贮存的电能通过稳压环节放电，保持稳定的电源输出，实现不间断供电功能。电池开关的作用是本设备在储存期间手动断开电池，防止放置太旧电池电量过放。

2、矿用本安电源的设计

2.1隔离稳压电路

隔离稳压电路的主要功能是实现电源输出的稳压和非本安电源输入端和本安电源输出端的隔离。稳压能够使宽范围的电压输入转化为恒定的电压输出。隔离使电源的输入与后续电路不共地，使电路避免由电涌和接地回路的过压、过流造成损害。隔离稳压电路的核心是URA2412ZP-6WR3模块，其电压输入范围在9～36V，输出功率为6W，采用模块化的电路可大大精简电路，增加电路的可操作性。模块的其他特点如下：①隔离电压1500VDC；②工作温度：-40～+85℃；③输入欠压，输出过压、短路保护、过流保护；裸机满足CISPR22/EN55022CLASSA；；⑤国际标准引脚方式；⑥通过UL60950、EN60950和IEC60950认证。

2.2 DC/DC电路

DC/DC稳压电路采用LM2676-ADJ，它是一种开关型集成稳压器，可提供一个驱动能力达3A，可逐级下降的开关稳压器的所有功能，具有良好的线性和负载调节特性，输入电压8～40V，输出电压1.2～37V可调。Vin为其输入端，接前级AC/DC提供的直流27V电压，Vout为其输出端，向后级本安电路提供稳定的直流电压。由LM2676-ADJ技术手册可知，Vout=VREF[1+（R2+RP1）/R1）]，VREF=1.23V。这里R1选1kΩ电阻，R2选择13kΩ电阻，RP1选用2kΩ的电位器，可以通过调整RP1来保证后级本安电路输出18V的本安电压（由于器件的管压降、检测电阻压降等因素的影响，Vout点的电压一般高于18V）。

2.3过流保护电路

本过流保护电路主要由电阻RS、高端电流检测芯片V1（ZXCT1009）和电阻ROUT组成。其工作原理：通过V1检测RS上的电流，一般ROUT上的电流正比于0.01倍RS上的电压，然后通过电阻ROUT转换为电压VOUT输出到反馈误差放大器TL431上，D1保证在没有过流的情况下使过流保护电路和反馈电路隔离。设定当RS上的电流超过1.25A时，即VOUT超过3V时，D1导通，将变化的电压通过TL431和PC817A送往UC3842进行控制，使输出电流稳定在1.25A左右。本电源设计的额定输出电流值为1A，设定电路启动过电流保护时的电流值为大于1.25A，RS=0.1Ω，电流I流过电阻RS时，则在V1的两端将产生一个VSE=IRS的电压，同时V1的另一个管脚会输出正比于电压VSE的电流信号，该电流通过ROUT转换成电压信号VOUT，根据VOUT=ROUT（VSE×0.01），即VOUT=ROUT（0.01IRS）。当VOUT=3V时，可得出ROUT=2.4kΩ。

2.4过压保护电路

过压保护电路由R8、R9、R10、R11及D3、D4、D5、M2构成，因为TL431的存在，M2的同向输入端电压U8为2.5V。设置R8和R9，使得输入电压为12V时，U9小于2.5V。当U1≤12V时，对于M2，U8≥U9，M2输出高电平，U6>U3，D4、D5不导通，电路正常工作。当U1>12V时，U9>2.5V，即U9>U8，M2输出低电平，此时D4、D5处于导通状态。由于二极管的导通时有压降，使得U3

2.5重要参数的计算和设计

本电路中为了符合本安电源的要求，基本使用小电容和小电感。所以变压器中儲存的能量成为本电源设计能否符合本安要求的主要因素。设计由变压器输出的电压设为12.8V。电源的工作频率设为500kHz，最小直流输入电压Vin（min）=133V。由此可知最大原边电感量Lpri、输入的峰值电流Ipk和磁芯中存储的能量Estored的计算公式分别为：Ipk=5.5Pout/Vin（min）；Lpri=Vin（min）αmax/Ipkf。式中αmax代表最大占空比（通常αmax=0.5）。Estored=LpriIpk2/2。综合可得Ipk≈0.53A，Lpri≈0.251mH，考虑安全系数后的值为1.5×0.251=0.376mH<<1mH，还可算出磁芯存储的能量Estored≈35.25μJ<<260μJ，因此本设计符合本安要求。

3、结束语

综上所述，本文设计了一种本安型交直流稳压电源，采用了稳压隔离电路和过压、过流电路。经测试，本设计具有可靠性和稳定；设计简单易实现、方便可携，并且可以通过对隔离稳压模块的选择和过压、过流电路的参数的调整，应用于其他本安电源设计。

参考文献：

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（作者单位：中煤科工集团重庆研究院有限公司）