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      礦燈本質(zhì)安全電源串聯(lián)限流電路的制作方法

      文檔序號:7462559閱讀:384來源:國知局
      專利名稱:礦燈本質(zhì)安全電源串聯(lián)限流電路的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明屬于礦燈專用安全技術(shù),具體涉及ー種使礦燈電源得到安全保護(hù)的串聯(lián)限流電路。ニ背景技術(shù)
      目前我國礦燈采用礦燈保護(hù)器來保護(hù)礦燈在使用過程中所發(fā)生的短路或過流故障, 這種保護(hù)器在蓄電池放電的前半程,即電源回路內(nèi)阻較小,故障電流較大時,能快速切斷故障電流,保護(hù)作用突出;而當(dāng)蓄電池放電到后半程,電源回路內(nèi)阻較大,故障電流較小或故障短路點(diǎn)虛接時,則保護(hù)作用有限,甚至不能起到保護(hù)作用。如何消除安全隱患,將故障電流限制在安全電流以下,使礦燈電源達(dá)到本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn),是礦燈設(shè)計的ー個重要課題。本質(zhì)安全礦燈是通過設(shè)計的手段,使礦燈自身具有安全性,即使誤操作或礦燈自身發(fā)生故障也不會產(chǎn)生事故。目前國內(nèi)沒有本質(zhì)安全型礦燈,處于空白狀態(tài);國外有本質(zhì)安全型礦燈,據(jù)目前能夠查到的資料和見到樣品情況得知,國外的本安礦燈限流方式全部采用串聯(lián)可靠電阻,即限流電阻,如果限流電阻值選定的較小,回路故障電流依然很大,起不到限流作用;如果限流電阻值選定的較大,限流電阻兩端壓降大,將直接影響光源的工作時間,為解決電阻存在壓降問題,必須采取提高蓄電池容量的辦法來禰補(bǔ)所存在的問題,這樣存在礦燈體積大、蓄電池成本高等問題。
      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明的目的是提供一種礦燈本質(zhì)安全電源串聯(lián)限流電路,使用本發(fā)明電路能夠使礦燈電源達(dá)到本質(zhì)安全級別,同時不增加礦燈體積和蓄電池成本,也沒有礦燈限流電阻存在的電流大、壓降大的問題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是礦燈本質(zhì)安全電源串聯(lián)限流電路由集成電路ICl與ニ極管Dl D5、電容Cl C5、電阻R3構(gòu)成DC/DC升壓電路,給整個系統(tǒng)提供控制電源;集成電路IC2與電阻R8、W3、R9、RlO、Wl、Rl I、W2構(gòu)成電壓和電流的設(shè)定和比較控制電路;集成電路IC3與電阻R4、電容C6構(gòu)成基準(zhǔn)電源,給集成電路IC2的“ + ”輸入端提供給定控制電壓;電阻Rl、R2構(gòu)成電流采樣電路,電阻R12、R13構(gòu)成電壓采樣電路,分別給集成電路IC2的“-”輸入端提供給定控制電壓;場效應(yīng)管FET2、FET3、FET4構(gòu)成三級串聯(lián)功率調(diào)整保護(hù)電路。當(dāng)R2檢測到的電流值大于IC2-1的5腳給定電流值時,IC2-1的I腳輸出調(diào)控信號,第一級保護(hù)FET2處于功率調(diào)整狀態(tài)使回路電流限定在給定值之內(nèi)。如果FET2處于故障短路狀態(tài),當(dāng)R2檢測到的電流值大于IC2-2的7腳給定電流值時,IC2-2的2腳輸出調(diào)控信號,第二、三級保護(hù)FET3、FET4處于功率調(diào)整狀態(tài)使回路電流限定在給定值之內(nèi),即使FET2、FET3、FET4之中的任意兩級同時出現(xiàn)短路故障,系統(tǒng)依然處于保護(hù)狀態(tài)。此外,電路還包括由場效應(yīng)管FETl和集成電路IC2構(gòu)成的限流和定壓充電管理電路,當(dāng)Rl檢測到的電流值大于IC2-3的11腳給定電流值時,IC2-3的13腳輸出調(diào)控信號,F(xiàn)ETl處于功率調(diào)整狀態(tài)使回路電流限定在給定值之內(nèi);當(dāng)R12、R13檢測到的輸出電壓值大于IC2-4的9腳給定電壓值吋,IC2-4的14腳輸出調(diào)控信號,F(xiàn)ETl處于功率調(diào)整狀態(tài)使電路輸出電壓穩(wěn)定在給定值之內(nèi)。
      本發(fā)明電路為四端雙向電路,A+、A-端連接LED光源負(fù)載,B+、B-連接充電電池。當(dāng)外部電源處于給電池充電狀態(tài)時,A+、A-是輸入端,B+、B-是輸出端,充電電流由電池的正極通過電池的內(nèi)部流向負(fù)極;當(dāng)LED光源工作吋,電池處于放電狀態(tài),B+、B-是輸入端,A+、A-是輸出端,放電電流由電池的正極通過LED光源負(fù)載流向電池的負(fù)極。I) LED光源正常工作狀態(tài)電路工作原理分析
      電池E工作在放電狀態(tài),此時集成電路IC2-4控制輸出端14腳輸出高電平,集成電路IC2-3控制輸出端13腳輸出高電平,場效應(yīng)管FETl全部導(dǎo)通;集成電路IC2-1、IC2-2控制輸出端I腳、2腳全部輸出高電平,場效應(yīng)管FET2 4全部導(dǎo)通?;芈氛9ぷ麟娏饔呻姵?E 的正極 B+ — FETl — A+ — LED — A- — FET2 — FET3 — FET4 — A 采樣一B-流回電池 E的負(fù)極。2)負(fù)載短路或過流狀態(tài)電路工作原理分析
      本發(fā)明電路具備三級保護(hù)功能,保護(hù)等級“ia”。集成電路IC2-1、IC2-2的輸出控制端I腳、2腳分別接入FET2、3、4的輸入控制端。當(dāng)發(fā)生過流或短路故障吋,故障電流的采樣值與限定電流設(shè)定值輸入到IC2-1、IC2-2進(jìn)行比較處理后,首先通過IC2-1控制輸出端I腳輸出調(diào)控信號,對第一級保護(hù)FET2進(jìn)行功率調(diào)控,使故障電流達(dá)到限定電流,其余兩級此時處于導(dǎo)通待命狀態(tài);如果系統(tǒng)通過循環(huán)檢測后發(fā)現(xiàn),第一級保護(hù)FET2有故障,系統(tǒng)會立即給IC2-2輸出端2腳發(fā)出指令,對第二級保護(hù)FET3進(jìn)行功率調(diào)控;同理,第二級有故障啟用第三級保護(hù)。回路故障電流由電池E的正極B+ — FETl — A+ —短路或過流故障點(diǎn)—A- — FET2 — FET3 — FET4 — A采樣一B-—流回電池E的負(fù)極。本發(fā)明應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件和其他電子器件組成限流電路,實(shí)現(xiàn)在正常工作吋,器件內(nèi)阻保持最低,對負(fù)載的工作性能沒有任何影響;當(dāng)負(fù)載發(fā)生過流或短路故障時,器件內(nèi)阻抗迅速提升,立即把故障電流限制在安全電流之內(nèi),使礦燈電源得到安全保護(hù)。由功率場效應(yīng)管輸出特性曲線圖可知,其輸出特性曲線分為三個區(qū)域可調(diào)電阻
      區(qū)I飽和區(qū)〖I和雪崩區(qū)III??烧{(diào)電阻區(qū)I的漏極電流Id與Vds幾乎成線性關(guān)系,當(dāng)Id隨Vds
      増加到某ー值后,器件內(nèi)的溝道被夾斷,開始進(jìn)入飽和區(qū)II Id趨于穩(wěn)定不變。而繼續(xù)増加
      Vds,當(dāng)漏極PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿時漏極電流Id突然劇增,進(jìn)入雪崩區(qū)III,直至主器件損壞,在應(yīng)用中應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況。本發(fā)明限流電路充分利用功率MOSFET輸出特性的可調(diào)電阻區(qū)的漏極電流Id與Vds幾乎成線性關(guān)系的特性,實(shí)現(xiàn)器件內(nèi)部阻抗調(diào)控,達(dá)到限流目的。在正常工作時,器件內(nèi)阻保持最低,對負(fù)載的工作性能沒有任何影響;當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路故障時,器件內(nèi)阻抗迅速提升的同時,短路電流限制到最低。四

      圖I為功率MOSFET輸出特性曲線 圖2為本發(fā)明限流電路原理圖。五具體實(shí)施例方式 本發(fā)明電路由功率場效應(yīng)管FET1、FET2、FET3、FET4與集成電路IC1、IC2、IC3及阻容元件組成。集成電路ICl為555時基電路,8腳封裝,其I腳接地,2腳、6腳連接后與電容C5、電阻R3相連,3腳與電容Cl、C3和R3的另一端相連,4腳、8腳連接后與外電源A+相連,5
      腳空置。集成電路IC2為339四電壓比較器,14腳封裝,其I腳 與場效應(yīng)管FET2的控制極相連,2腳分別與場效應(yīng)管FET3、FET4的控制極相連,3腳接工作電源正極,4腳、6腳連接后與電流采樣電阻R2相連,5腳和7腳分別與電阻R8、W3和R9、RlO組成的電流給定電路相連,8腳與電阻R12、R13組成的電壓采樣電路相連,9腳與充電電壓給定可調(diào)電阻Wl相連,10腳與電流采樣電阻Rl相連,11腳與電阻R11、W2組成的充電電流給定電路相連,12腳接工作電源負(fù)極,13腳、14腳與場效應(yīng)管FETl的控制極相連。集成電路IC3為385電壓基準(zhǔn),8腳封裝,其4腳接工作電源負(fù)極,8腳與電阻R4、電容C6相連構(gòu)成基準(zhǔn)電壓輸出端Vj,其余引腳空置。主要技術(shù)參數(shù)確定 I)最小限定電流 Ixl (MiN)
      故障時,回路電流限制的愈小,電池愈安全,但是由本發(fā)明限流電路結(jié)構(gòu)原理決定,當(dāng)電路設(shè)定的限定電流Ia低于LED光源的正向電流Iab時,往往會影響LED光源的工作質(zhì)量。因此,正確選擇優(yōu)質(zhì)的LED光源,是將電路限定電流Ia值設(shè)定最低的關(guān)鍵。目前隨著半導(dǎo)體光源技術(shù)的快速發(fā)展,LED光源發(fā)光效率逐步提高,驅(qū)動電流逐漸下降,以IW的LED光源為例,驅(qū)動電流(正向電流Iab)值在150_200mA時,光通量能達(dá)到80-120Lm。因此,最小限定電流值應(yīng)確定為Ia (_=200mA。2)限流電路壓降Uba
      光源正常工作時,限流電路壓降的高低直接影響光源的工作質(zhì)量,壓降高點(diǎn)燈時間縮短,壓降低點(diǎn)燈時間相對延長。影響電路壓降高低的主要因素是由功率場效應(yīng)管MOSFET的導(dǎo)通電阻Rds (QN)大小決定的,選擇較低導(dǎo)通電阻Rds _值的M0SFET,是降低電路壓降Uba的關(guān)鍵。根據(jù)目前MOSFET市場實(shí)際情況,選擇RDS(QN)彡IOmΩ ;LED光源正向電流Iab最大值為200mA時,較為理想的電路壓降值,按公式(I)計算確定。Uba = Ub-Ua く 20mV-------------------------(I)
      式中UBA------------限流電路壓降(mV);
      Ub-------------限流電路輸入端電壓(mV);
      Ua-------------限流電路輸出端電壓(mV)。本電路使用三只功率場效應(yīng)管MOSFET器件串聯(lián)組成串聯(lián)限流電路。該限流電路具備三重保護(hù)能力,集中控制,如果限流電路內(nèi)三只功率器件之中的任意兩只同時發(fā)生故障,其余的一只可以照常調(diào)控和限制由于外部電路故障所發(fā)生的功率變化,使系統(tǒng)安全可靠,保護(hù)等級達(dá)到“ia”。同時具備在礦燈正常放電工作吋,電路壓降低(小于20mV);在礦燈發(fā)生過流或短路故障吋,回路故障電流小(200mA)等突出特點(diǎn)。此外,限流電路還附加了恒流、恒壓充電管理功能。礦燈是煤礦井下工作人員人手必備和用量最多的小型電器設(shè)備。據(jù)行業(yè)內(nèi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,國內(nèi)年需求量在200萬盞左右。加裝本發(fā)明產(chǎn)品的礦燈,由目前的防爆特殊型(ExsI)提升到本質(zhì)安全型(ExiaI),對我國煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。
      權(quán)利要求
      1.ー種礦燈本質(zhì)安全電源串聯(lián)限流電路,其特征是它由集成電路(ICI)與ニ極管(Dl D5)、電容(Cl C5)、電阻(R3)構(gòu)成DC/DC升壓電路,給整個系統(tǒng)提供控制電源;集成電路(IC2)與電阻(R8、W3、R9、RIO、WU Rll、W2)構(gòu)成電壓和電流的設(shè)定和比較控制電路;集成電路(I C3 )與電阻(R4 )、電容(C6 )構(gòu)成基準(zhǔn)電源,給集成電路(I C2 )的“ + ”輸入端提供給定控制電壓;電阻(Rl、R2)構(gòu)成電流采樣電路,電阻(R12、R13)構(gòu)成電壓采樣電路,分別給集成電路(IC2)的“-”輸入端提供給定控制電壓;場效應(yīng)管(FET2、FET3、FET4)構(gòu)成ニ級串聯(lián)功率調(diào)整保護(hù)電路。
      2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的礦燈本質(zhì)安全電源串聯(lián)限流電路,其特征是它還包括由場效應(yīng)管(FETl)和集成電路(IC2)構(gòu)成的限流和定壓充電管理電路。
      3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的礦燈本質(zhì)安全電源串聯(lián)限流電路,其特征是本發(fā)明電路由功率場效應(yīng)管(FET1、FET2、FET3、FET4)與集成電路(IC1、IC2、IC3)及阻容元件組成,集成電路(ICl)為555時基電路,8腳封裝,其I腳接地,2腳、6腳連接后與電容(C5)、電阻(R3)相連,3腳與電容(Cl、C3)和電阻(R3)的另一端相連,4腳、8腳連接后與外電源A+相連,5腳空置;集成電路(IC2)為339四電壓比較器,14腳封裝,其I腳與場效應(yīng)管(FET2)的控制極相連,2腳分別與場效應(yīng)管(FET3、FET4)的控制極相連,3腳接工作電源正極,4腳、6腳連接后與電流采樣電阻(R2 )相連,5腳和7腳分別與電阻(R8、W3 )和(R9、RlO )組成的電流給定電路相連,8腳與電阻(R12、R13)組成的電壓采樣電路相連,9腳與充電電壓給定可調(diào)電阻(Wl)相連,10腳與電流采樣電阻(Rl)相連,11腳與電阻(Rl I、W2 )組成的充電電流給定電路相連,12腳接工作電源負(fù)極,13腳、14腳與場效應(yīng)管(FETl)的控制極相連;集成電路(IC3)為385電壓基準(zhǔn),8腳封裝,其4腳接工作電源負(fù)極,8腳與電阻(R4)、電容(C6)相連構(gòu)成基準(zhǔn)電壓輸出端Vj,其余引腳空置。
      全文摘要
      本發(fā)明公開了一種礦燈本質(zhì)安全電源串聯(lián)限流電路,它由集成電路IC1與二極管、電容、電阻構(gòu)成DC/DC升壓電路,給整個系統(tǒng)提供控制電源;集成電路IC2與電阻構(gòu)成電壓和電流的設(shè)定和比較控制電路;集成電路IC3與電阻、電容構(gòu)成基準(zhǔn)電源,給集成電路IC2的“+”輸入端提供給定控制電壓;電阻R1、R2構(gòu)成電流采樣電路,電阻R12、R13構(gòu)成電壓采樣電路,分別給IC2的“-”輸入端提供給定控制電壓;場效應(yīng)管FET2、FET3、FET4構(gòu)成三級串聯(lián)功率調(diào)整保護(hù)電路。本發(fā)明應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件和其他電子器件組成限流電路,實(shí)現(xiàn)在正常工作時,器件內(nèi)阻保持最低,對負(fù)載的工作性能沒有任何影響;當(dāng)負(fù)載發(fā)生過流或短路故障時,器件內(nèi)阻抗迅速提升,立即把故障電流限制在安全電流之內(nèi),使礦燈電源得到安全保護(hù)。
      文檔編號H02M1/32GK102695316SQ20121019005
      公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月11日
      發(fā)明者李方儒, 臧才運(yùn), 車延武 申請人:撫順礦燈制造總廠
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