專利名稱：恒功率輸出的高壓大功率安全柵的制作方法
技術領域：
本發明屬于一種電子產品，它主要用于煤礦、石油、化工等危險性環境，確切地說是一種用于連接本質安全型電源或電子產品與非本安設備的關聯設備。
背景技術：
本質安全型開關電源是電子設備的重要組成部分，在工作于危險環境的防爆電氣設備的本質安全型AC/DC開關電源中，由于輸入為低頻(50Hz)，為了達到足夠大的輸出功率，通常在開關電源輸入整流濾波部分需要較大容量的濾波電容，而且電壓高達幾百伏，所以一旦出現短路等故障，其產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安全或防爆要求的。因此，為了使本質安全型開關電源或其它電子產品安全地應用于危險型環境中，就必須在電源或電子產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。現有的安全柵通常采用電阻限流和穩壓管或晶體管限壓，來限制最大電流和最高電壓，以達到限制能量的目的，且不能徹底關斷輸入的電源能量，因此損耗大、電流小，只能應用在低壓、小功率場合，不利于高壓大功率電能的傳輸。鑒于此，就無法使應用于危險環境的防爆型直流電源實現完全本質安全，而屬于隔爆兼本安型，外面加有笨重的隔爆外殼。所以，為實現本安型的防爆直流電源就需要設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的高壓大功率安全柵，以滿足危險環境對電氣設備的防爆要求。據統計，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，關鍵問題是沒有廣泛采用監測、監控系統，存在很多安全隱患，而每一臺監測、監控系統至少需要一臺本質安全型的開關電源，因此，設計適用于危險性環境的本安型開關電源的高壓大功率安全柵具有重要意義。
發明內容
本發明的目的是為了解決現有技術中存在的問題，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備與本質安全型電源或其它電子產品之間，以確保高壓大功率設備的正常運行。
本發明是以下列技術方案來實現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。
本發明有效地限制了來自輸入或電網的短路等故障能量，確保與高壓或電網相接的本質安全型電源或其它電子產品能夠安全地應用于危險性環境；使本質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，設備重量沒有增加，同時降低了設備成本。
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
結合附圖對本發明的整體結構及其工作原理作具體詳細的說明如圖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，實際應用時本發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端。其工作原理為輸入的電網電壓(如交流220V)，經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，進入整流濾波電路進行整流濾波，將交流電壓轉變為平滑的直流電壓，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電路導通，只有很小的導通損耗。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生；恒流源電路決定功率開關電路的最大驅動電流；當電流檢測電路檢測到電路中的電流超過某一設定值時，判定發生過流或短路故障；過流或短路故障的發生使分流電路導通而分流，則流過功率開關電路的驅動電流隨即減小，輸出電壓開始下降，這使得分流電路流過的電流更大，功率開關電路的驅動電流更小，輸出電壓繼續下降，如此這樣形成一個強的正反饋過程，直至功率開關電路截止，最終使得輸出電壓和輸出電流均接近于零，因此，短路故障發生時，輸出端短路故障而產生的火花能量達到有效抑制。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上的基礎分壓就高，VT5就容易導通，容許的輸出電流就小；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，輸出功率保持恒定，即當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+，陽極接本發明的輸出電壓正端Vo+。所述能量限制電路中的功率開關電路由功率三極管VT1構成，VT1可為功率三極管(如2SC2625)或達林頓功率三極管(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構成，其連接方式為二極管D1和D2串聯，串聯的陽極接整流濾波電路的輸出正端Vin+，串聯的陰極分別接電阻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端Vin-，三極管VT2的發射極通過電阻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的發射極接本發明的輸出電壓正端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端Vin-，R2和R3串聯的連接點接穩壓二極管ZD1(左端為陰極，右端為陽極)與電阻R4串聯的一端，ZD1與R4串聯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的發射極接整流濾波電路的輸出負端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的發射極接整流濾波電路的輸出負端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+、負端Vin-。
其工作原理是輸入的電網電壓(如交流220V)，經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，進入整流濾波電路進行整流濾波，將交流電壓轉變為平滑的直流電壓，再輸入到能量限制電路，通過能量限制電路可將輸出短路故障而產生的火花能量限制到足夠小的范圍內。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，輸出電流在取樣電阻R12上產生的壓降較小，三極管VT5處于關斷狀態，以三極管VT2為核心構成的恒流源電路向功率開關電路的功率三極管提供驅動電流，功率三極管VT1處于飽和導通狀態；當有短路故障發生或輸出電流過大超過設定值時，輸出電流在取樣電阻R12上產生的壓降使得三極管VT5導通，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動電流是固定的，因此功率三極管VT1的基極驅動電流就會減小，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，開關管的驅動電流更小，輸出電壓繼續下降，如此這樣就形成一個強的正反饋過程，正反饋的結果使分流電路的三極管VT5由截止逐漸轉入飽和導通的同時功率三極管VT1由飽和導通逐漸進入截止狀態，最終使得輸出電壓和輸出電流均接近于零，因此，短路故障發生時，輸出端因短路故障而產生的火花能量達到有效抑制。
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，輸出功率保持恒定，即當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能否導通取決于其發射結的電壓—即基極和發射極的電位差，其發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，因此當取樣電阻R12上壓降較低時，就可以使VT5導通，VT5一導通整個電路立即進入正反饋，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，當輸入電壓降低時，允許的輸出電流就大。最終，實現了電路的恒功率輸出。調節電阻R14和R9及取樣電阻R12可調節在允許的輸入電壓范圍內的輸出功率。
圖4給出了本發明的實施例二，其中功率開關電路的功率晶體管VT1采用兩個三極管構成的復合晶體管，電流檢測電路僅由電阻R12構成，其余部分與實施例一相應部分相同。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，能實現電流檢測和分流的方案及實現輸出功率調節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)構成嵌位電路(3-1)、功率開關電路(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.根據權利要求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構成。
3.根據權利要求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)的功率開關電路(3-2)是由功率三極管VT1或復合三極管構成。
4.根據權利要求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串接構成；或者只由電流取樣電阻R12構成。
5.根據權利要求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，并將串聯接點連接到VT2的基極所構成。
6.根據權利要求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串聯后接到分流三極管VT5的基極構成。
7.根據權利要求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，穩壓二極管ZD1，由電阻R1、R4、R5與三極管VT3構成的-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成，其中取樣電阻R2和R3串聯的接點上接ZD1與R4串聯的一端，ZD1與R4串聯的另一端接到VT3的基極。
全文摘要
本發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構成。該高壓大功率安全柵主要用于煤礦、石化等危險性環境的監測、監控系統中，特別是防爆電源或本質安全型的穩壓電源中，有效地減小來自危險性環境的短路火花故障能量，確保電子設備及直流穩壓電源能夠安全地應用于危險性環境中；使本質安全型或防爆直流穩壓電源的輸出功率可以做得更大，且不會降低電源的效率，電路結構及控制方法更簡單。
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 優先權日2005年8月9日
發明者劉樹林, 劉健, 楊波, 鐘久明, 王媛彬 申請人:劉樹林