專利名稱：恒功率輸出的高壓大功率安全柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種電子產(chǎn)品，它主要用于煤礦、石油、化工等危險性環(huán)境，確切地說是一種用于連接本質(zhì)安全型電源或電子產(chǎn)品與非本安設(shè)備的關(guān)聯(lián)設(shè)備。
背景技術(shù)：
本質(zhì)安全型開關(guān)電源是電子設(shè)備的重要組成部分，在工作于危險環(huán)境的防爆電氣設(shè)備的本質(zhì)安全型AC/DC開關(guān)電源中，由于輸入為低頻(50Hz)，為了達(dá)到足夠大的輸出功率，通常在開關(guān)電源輸入整流濾波部分需要較大容量的濾波電容，而且電壓高達(dá)幾百伏，所以一旦出現(xiàn)短路等故障，其產(chǎn)生的電火花必然會引爆易燃、易爆氣體，顯然是不能滿足本質(zhì)安全或防爆要求的。因此，為了使本質(zhì)安全型開關(guān)電源或其它電子產(chǎn)品安全地應(yīng)用于危險型環(huán)境中，就必須在電源或電子產(chǎn)品的輸入部分引入高壓大功率隔離安全柵，將輸入部分的短路等故障能量限制在足夠低的范圍內(nèi)?，F(xiàn)有的安全柵通常采用電阻限流和穩(wěn)壓管或晶體管限壓，來限制最大電流和最高電壓，以達(dá)到限制能量的目的，且不能徹底關(guān)斷輸入的電源能量，因此損耗大、電流小，只能應(yīng)用在低壓、小功率場合，不利于高壓大功率電能的傳輸。鑒于此，就無法使應(yīng)用于危險環(huán)境的防爆型直流電源實現(xiàn)完全本質(zhì)安全，而屬于隔爆兼本安型，外面加有笨重的隔爆外殼。所以，為實現(xiàn)本安型的防爆直流電源就需要設(shè)計一個既不影響大功率電能的正常傳輸，又能將故障能量限制在一個足夠小的范圍內(nèi)的高壓大功率安全柵，以滿足危險環(huán)境對電氣設(shè)備的防爆要求。據(jù)統(tǒng)計，目前我國的各類型煤礦約有2.6萬個，其中大、中型煤礦3000多個，關(guān)鍵問題是沒有廣泛采用監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)，存在很多安全隱患，而每一臺監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)至少需要一臺本質(zhì)安全型的開關(guān)電源，因此，設(shè)計適用于危險性環(huán)境的本安型開關(guān)電源的高壓大功率安全柵具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種恒功率輸出的高壓大功率安全柵，將其串接在非本安設(shè)備與本質(zhì)安全型電源或其它電子產(chǎn)品之間，以確保高壓大功率設(shè)備的正常運(yùn)行。
本發(fā)明是以下列技術(shù)方案來實現(xiàn)該恒功率輸出的高壓大功率安全柵是由輸入濾波電路、整流濾波電路和能量限制電路三部分組成。也就是說輸入濾波電路的輸出連接到整流濾波電路的輸入，整流濾波電路的輸出連接到能量限制電路的輸入。其中的能量限制電路由嵌位電路、功率開關(guān)電路、電流檢測電路、恒流源電路、分流電路及輸入電壓檢測和恒功率輸出控制電路六部分組成嵌位電路、功率開關(guān)電路、恒流源電路及輸入電壓檢測和恒功率輸出控制電路的輸入分別接整流濾波電路的輸出；功率開關(guān)電路的輸出接到電流檢測電路的輸入，恒流源電路的輸出分別接到功率開關(guān)電路的控制端和分流電路的輸入端，輸入電壓檢測和恒功率輸出控制電路的輸出接到分流電路的控制端；所屬嵌位電路、電流檢測電路和分流電路的輸出均接到能量限制電路的輸出。
本發(fā)明有效地限制了來自輸入或電網(wǎng)的短路等故障能量，確保與高壓或電網(wǎng)相接的本質(zhì)安全型電源或其它電子產(chǎn)品能夠安全地應(yīng)用于危險性環(huán)境；使本質(zhì)安全型電源的輸出功率可以做得更大，且不會降低電源或電子產(chǎn)品的效率；在本安型電源的體外不需要隔爆外殼，所以散熱性好，設(shè)備重量沒有增加，同時降低了設(shè)備成本。


圖1是恒功率輸出的高壓大功率安全柵原理電路框圖。
圖2是圖1中的能量限制電路原理框圖。
圖3是恒功率輸出的高壓大功率安全柵實施例一電路工作原理圖。
圖4是恒功率輸出的高壓大功率安全柵實施例二電路工作原理圖。
具體實施例方式
結(jié)合附圖對本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)及其工作原理作具體詳細(xì)的說明如圖1所示，本恒功率輸出的高壓大功率安全柵是由輸入濾波電路、整流濾波電路和能量限制電路三部分依次連接組成。如圖2所示其中的能量限制電路是由嵌位電路、功率開關(guān)電路、電流檢測電路、恒流源電路、分流電路及輸入電壓檢測和恒功率輸出控制電路六部分組成嵌位電路、功率開關(guān)電路、恒流源電路及輸入電壓檢測和恒功率輸出控制電路的輸入分別接整流濾波電路的輸出；功率開關(guān)電路的輸出接到電流檢測電路的輸入，恒流源電路的輸出分別接到功率開關(guān)電路的控制端和分流電路的輸入端，輸入電壓檢測和恒功率輸出控制電路的輸出接到分流電路的控制端；所屬嵌位電路、電流檢測電路和分流電路的輸出均接到能量限制電路的輸出。如圖3、4所示，實際應(yīng)用時本發(fā)明電路輸入有三個端子A、B和GND，A和B分別接輸入交流電壓的兩端，GND接機(jī)殼或大地；輸出有兩個個端子Vo+和Vo-，分別為輸出直流電壓的正端和負(fù)端。其工作原理為輸入的電網(wǎng)電壓(如交流220V)，經(jīng)過輸入濾波電路濾除輸入的高頻干擾信號，輸入濾波電路還能限制通電瞬間的浪涌電流，然后，進(jìn)入整流濾波電路進(jìn)行整流濾波，將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷?，再輸入到能量限制電路。正常工作時能量限制電路的功率開關(guān)電路導(dǎo)通，只有很小的導(dǎo)通損耗。電流檢測電路通過檢測電流，判斷輸出過流或短路故障是否發(fā)生；恒流源電路決定功率開關(guān)電路的最大驅(qū)動電流；當(dāng)電流檢測電路檢測到電路中的電流超過某一設(shè)定值時，判定發(fā)生過流或短路故障；過流或短路故障的發(fā)生使分流電路導(dǎo)通而分流，則流過功率開關(guān)電路的驅(qū)動電流隨即減小，輸出電壓開始下降，這使得分流電路流過的電流更大，功率開關(guān)電路的驅(qū)動電流更小，輸出電壓繼續(xù)下降，如此這樣形成一個強(qiáng)的正反饋過程，直至功率開關(guān)電路截止，最終使得輸出電壓和輸出電流均接近于零，因此，短路故障發(fā)生時，輸出端短路故障而產(chǎn)生的火花能量達(dá)到有效抑制。輸入電壓檢測和恒功率輸出控制電路的原理是該部分電路實際上等效于一個壓控電阻，輸入電壓高等效電阻大，在VT5上的基礎(chǔ)分壓就高，VT5就容易導(dǎo)通，容許的輸出電流就??；反之，則容許的輸出電流就大，這就確保在允許的輸入電壓范圍內(nèi)，輸出功率保持恒定，即當(dāng)輸入電壓低時允許的輸出電流大，而輸入電壓高時允許的輸出電流小。
圖3給出本發(fā)明的實施例一，其中所述輸入濾波電路是由保險管FU1、差模濾波電容CX1和CX2、共模濾波電容CY1和CY2、共模電感L1、壓敏電阻RV1、熱敏電阻RT1和輸入安全放電電阻RX1構(gòu)成，其連接方式為保險管FU1的一端接輸入端A、另一端接差模濾波電容CX1和共模電感L1的一個輸入端，CX1的另一端和L1的另一個輸入端短接后接另一輸入端B，共模電感L1的兩個輸出端分別接到差模濾波電容CX2、壓敏電阻RV1和輸入安全放電電阻RX1并聯(lián)后的兩端，這兩端的其中之一通過共模濾波電容CY1接到GND端，并通過熱敏電阻RT1后即為輸入濾波電路的一個輸出端，接到整流濾波電路的一個輸入端；這兩端的第二端通過共模電容CY2接到GND端，并作為輸入濾波電路的另一個輸出端，接到整流濾波電路的另一個輸入端。所述整流濾波電路由整流橋BG1和濾波電容CX3構(gòu)成，其連接方式為輸入濾波電路的兩個輸出端，分別接到整流橋BG1的兩個輸入端，整流橋BG1的輸出正端接濾波電容CX3的“+”端，即Vin+；整流橋BG1的輸出負(fù)端接濾波電容CX3的“-”端，即Vin-。所述能量限制電路中的嵌位電路由二極管D5(如FR207)構(gòu)成，其連接方式為陰極接整流濾波電路的輸出正端Vin+，陽極接本發(fā)明的輸出電壓正端Vo+。所述能量限制電路中的功率開關(guān)電路由功率三極管VT1構(gòu)成，VT1可為功率三極管(如2SC2625)或達(dá)林頓功率三極管(如BU941)，其連接方式為VT1的集電極接整流濾波電路的輸出正端Vin+，發(fā)射極接到電流檢測電路，基極接恒流源電路的輸出—即三極管VT2的集電極。所述電流檢測電路是由二極管D3與電流取樣電阻R12串接構(gòu)成，其連接方式為D3(左端為陽極，右端為陰極)與R12串接的一端接功率開關(guān)電路，另一端接輸出電壓的正端Vo+。所述的恒流源電路是由電阻R10和R11、二極管D1和D2及三極管VT2構(gòu)成，其連接方式為二極管D1和D2串聯(lián)，串聯(lián)的陽極接整流濾波電路的輸出正端Vin+，串聯(lián)的陰極分別接電阻R10的一端和三極管VT2的基極，R10的另一端接整流濾波電路的輸出負(fù)端Vin-，三極管VT2的發(fā)射極通過電阻R11接到整流濾波電路的輸出正端Vin+，三極管VT2的集電極分別接到功率三極管VT1的基極、分流電路的三極管VT5的集電極和二極管D4的陽極。所述分流電路是由電阻R13、二極管D4及三極管VT5構(gòu)成，其連接方式為二極管D4(左端為陽極，右端為陰極)與電阻R13串聯(lián)的一端接到三極管VT5的基極，另一端接到三極管VT5的集電極，三極管VT5的發(fā)射極接本發(fā)明的輸出電壓正端Vo+。所述輸入電壓檢測和恒功率輸出控制電路是由取樣電阻R2和R3、穩(wěn)壓二極管ZD1、電阻R4～R9和R1、R14及由三極管VT3和VT4組成的兩極放大電路所構(gòu)成，其連接方式為取樣電阻R2的一端接整流濾波電路的輸出正端Vin+，取樣電阻R3的一端接整流濾波電路的輸出負(fù)端Vin-，R2和R3串聯(lián)的連接點接穩(wěn)壓二極管ZD1(左端為陰極，右端為陽極)與電阻R4串聯(lián)的一端，ZD1與R4串聯(lián)的另一端接到三極管VT3的基極和R5的一端，R5的另一端和三極管VT3的發(fā)射極接整流濾波電路的輸出負(fù)端Vin-，VT3的集電極接到電阻R1與R6的連接點，R1的另一端接整流濾波電路的輸出正端Vin+，R6的另一端分別接到三極管VT4的基極和電阻R7的一端，R7的另一端和三極管VT4的發(fā)射極接整流濾波電路的輸出負(fù)端Vin-，VT4的集電極接到電阻R8的一端，R8的另一端接電阻R14和R9的連接點，且該連接點還接到分流電路中三極管VT5的基極，電阻R14和R9的另一端分別接整流濾波電路的輸出正端Vin+、負(fù)端Vin-。
其工作原理是輸入的電網(wǎng)電壓(如交流220V)，經(jīng)過輸入濾波電路濾除輸入的高頻干擾信號，輸入濾波電路還能限制上電瞬間的浪涌電流，然后，進(jìn)入整流濾波電路進(jìn)行整流濾波，將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷海佥斎氲侥芰肯拗齐娐?，通過能量限制電路可將輸出短路故障而產(chǎn)生的火花能量限制到足夠小的范圍內(nèi)。能量限制電路的工作原理為電阻R12是輸出電流取樣電阻，在正常工作電流范圍內(nèi)，輸出電流在取樣電阻R12上產(chǎn)生的壓降較小，三極管VT5處于關(guān)斷狀態(tài)，以三極管VT2為核心構(gòu)成的恒流源電路向功率開關(guān)電路的功率三極管提供驅(qū)動電流，功率三極管VT1處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)有短路故障發(fā)生或輸出電流過大超過設(shè)定值時，輸出電流在取樣電阻R12上產(chǎn)生的壓降使得三極管VT5導(dǎo)通，將對來自恒流源的電流分流，由于來自恒流源電路的最大驅(qū)動電流是固定的，因此功率三極管VT1的基極驅(qū)動電流就會減小，所以輸出電壓就開始下降，這使得分流電路流過的電流更大，開關(guān)管的驅(qū)動電流更小，輸出電壓繼續(xù)下降，如此這樣就形成一個強(qiáng)的正反饋過程，正反饋的結(jié)果使分流電路的三極管VT5由截止逐漸轉(zhuǎn)入飽和導(dǎo)通的同時功率三極管VT1由飽和導(dǎo)通逐漸進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，最終使得輸出電壓和輸出電流均接近于零，因此，短路故障發(fā)生時，輸出端因短路故障而產(chǎn)生的火花能量達(dá)到有效抑制。
輸入電壓檢測和恒功率輸出控制電路的作用是，確保在允許的輸入電壓范圍內(nèi)，輸出功率保持恒定，即當(dāng)輸入電壓低時允許的輸出電流大，而輸入電壓高時允許的輸出電流小。其工作原理為分流電路的三極管VT5能否導(dǎo)通取決于其發(fā)射結(jié)的電壓—即基極和發(fā)射極的電位差，其發(fā)射極電位就等于輸出電壓，而其基極電位則由VT1的基極電位通過二極管D4和電阻R13后，在由恒功率電路確定的等效電阻上的分壓決定(假設(shè)VT5截止時)，而恒功率電路的等效電阻是由輸入電壓控制的。如當(dāng)輸入電壓增高時，三極管VT3的集電極電位降低，從而使三極管VT4的集電極電位升高，相當(dāng)于恒功率控制電路的等效電阻增加，使得VT5的基極電位相對就較高，因此當(dāng)取樣電阻R12上壓降較低時，就可以使VT5導(dǎo)通，VT5一導(dǎo)通整個電路立即進(jìn)入正反饋，功率三極管VT1就會很快截止，所以允許電路的輸出電流就小。同樣的道理，當(dāng)輸入電壓降低時，允許的輸出電流就大。最終，實現(xiàn)了電路的恒功率輸出。調(diào)節(jié)電阻R14和R9及取樣電阻R12可調(diào)節(jié)在允許的輸入電壓范圍內(nèi)的輸出功率。
圖4給出了本發(fā)明的實施例二，其中功率開關(guān)電路的功率晶體管VT1采用兩個三極管構(gòu)成的復(fù)合晶體管，電流檢測電路僅由電阻R12構(gòu)成，其余部分與實施例一相應(yīng)部分相同。其工作原理與實施例一完全相同。
以上所述的圖中，輸入濾波電路還有其他很多形式，能實現(xiàn)電流檢測和分流的方案及實現(xiàn)輸出功率調(diào)節(jié)或恒定的電路還有很多。但綜合考慮，列舉的實施例是較佳方案。
權(quán)利要求
1.一種恒功率輸出的高壓大功率安全柵，它包括輸入濾波電路(1)，整流濾波電路(2)，其特征是在整流濾波電路的輸出端設(shè)有能量限制電路(3)依次連接組成，其中能量限制電路(3)是由嵌位電路(3-1)、功率開關(guān)電路(3-2)、電流檢測電路(3-3)、恒流源電路(3-4)、分流電路(3-5)及輸入電壓檢測和恒功率輸出控制電路(3-6)構(gòu)成嵌位電路(3-1)、功率開關(guān)電路(3-2)、恒流源電路(3-4)及輸入電壓檢測和恒功率輸出控制電路(3-6)的輸入分別接整流濾波電路的輸出；功率開關(guān)電路(3-2)的輸出接到電流檢測電路(3-3)的輸入，恒流源電路(3-4)的輸出分別接到功率開關(guān)電路(3-2)的控制端和分流電路(3-5)的輸入端，輸入電壓檢測和恒功率輸出控制電路(3-6)的輸出接到分流電路(3-5)的控制端；所屬嵌位電路(3-1)、電流檢測電路(3-3)和分流電路(3-5)的輸出均接到能量限制電路的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒功率輸出的高壓大功率安全柵，其特征是能量限制電路(3)的嵌位電路(3-1)是由二極管D5構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒功率輸出的高壓大功率安全柵，其特征是能量限制電路(3)的功率開關(guān)電路(3-2)是由功率三極管VT1或復(fù)合三極管構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒功率輸出的高壓大功率安全柵，其特征是能量限制電路(3)的電流檢測電路(3-3)是由二極管D3與電流取樣電阻R12串接構(gòu)成；或者只由電流取樣電阻R12構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒功率輸出的高壓大功率安全柵，其特征是能量限制電路(3)的恒流源電路(3-4)是由三極管VT2及其在發(fā)射極上連接的電流控制電阻R11和串接的二極管D1和D2與電阻R10串聯(lián)，并將串聯(lián)接點連接到VT2的基極所構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒功率輸出的高壓大功率安全柵，其特征是能量限制電路(3)的分流電路(3-5)是由電阻R13和二極管D4串聯(lián)后接到分流三極管VT5的基極構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒功率輸出的高壓大功率安全柵，其特征是能量限制電路(3)的輸入電壓檢測和恒功率輸出控制電路(3-6)是由取樣電阻R2和R3，穩(wěn)壓二極管ZD1，由電阻R1、R4、R5與三極管VT3構(gòu)成的-級放大電路及由電阻R6～R9、R14與三極管VT4組成的第二級放大電路依次連接所構(gòu)成，其中取樣電阻R2和R3串聯(lián)的接點上接ZD1與R4串聯(lián)的一端，ZD1與R4串聯(lián)的另一端接到VT3的基極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種恒功率輸出的高壓大功率安全柵，其特征是它由輸入濾波電路1、整流濾波電路2及能量限制電路3依次連接組成。其中所述的能量限制電路是由嵌位電路3－1、功率開關(guān)電路3－2、電流檢測電路3－3、恒流源電路3－4、分流電路3－5及輸入電壓檢測和恒功率輸出控制電路3－6構(gòu)成。該高壓大功率安全柵主要用于煤礦、石化等危險性環(huán)境的監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)中，特別是防爆電源或本質(zhì)安全型的穩(wěn)壓電源中，有效地減小來自危險性環(huán)境的短路火花故障能量，確保電子設(shè)備及直流穩(wěn)壓電源能夠安全地應(yīng)用于危險性環(huán)境中；使本質(zhì)安全型或防爆直流穩(wěn)壓電源的輸出功率可以做得更大，且不會降低電源的效率，電路結(jié)構(gòu)及控制方法更簡單。
文檔編號H02M1/12GK1766773SQ20051004307
公開日2006年5月3日 申請日期2005年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月9日
發(fā)明者劉樹林, 劉健, 楊波, 鐘久明, 王媛彬 申請人:劉樹林