一种矿用本安型电源的介绍

引言

煤矿井下环境特殊，存在有瓦斯、粉尘、一氧化碳等易燃易爆物质，因此矿井下的各类通信、监控、仪表和自动化等系统设备的供电电源必须满足防爆要求，本质安全型是防爆的最佳形式，所谓本质安全电路是指在正常工作或规定的故障状态下，产生的任何电火花或效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。

本文所介绍的电源，是针对煤矿井下复杂的环境要求，设计了的具有两级保护的矿用本质安全型直流电源，该电源在正常工作和故障状态下，其输出的最大电流和电压均满足本安要求。在正常工作时，电源能稳定的提供12VDC/1.2A的驱动能力，可满足矿井下大多数低压电气设备的供电需求。

电源总体设计

该本质安全型电源有降压、整流、滤波，直流稳压及保护电路组成，如图1所示。

图1 本安电源总体框图

各单元电路介绍

降压、整流、滤波电路

降压电路主要由电源变压器构成，它的作用是将交流高电压降低到所需的电压值，由于矿井下常采用AC127V或AC36V为低压设备供电，故本电源采用AC127V/AC36V双输入，AC20V输出的工频变压器实现降压。

整流电路的作用是将降压电路输出的交流电转化成具有单向脉动性的直流电，本电源采用4个1N4007二极管组成桥式整流器来实现交流到直流的转换。

滤波电路的主要作用是将整流后输出的具有单向脉动性的直流电进行平滑处理，以获得直流电压，滤波后的直流电可以直接给电子电路供电，滤波电路采用一个220μf的铝电解电容和一个103的瓷片电容并联进行滤波处理。

稳压稳压电路

稳压部分采用三端可调集成芯片LM317，LM317输出电压范围为1.25V~37V时可提供超过1.5A的电流，输出端与调整端固定1.25V的基准电压，通过改变LM317的外部电阻即可方便的调整稳压电压值。如下图3所示：输出电压，由于控制在小于100，所以常忽略不计，交流电经过整流、滤波变直流后，输入到三端可调稳压模块LM317，输出得到稳定的电压，为后面的过流、过压电路模块提供工作电压，同时得到比较电压，为过压、过流控制提供基准比较电压。

在本文介绍的电源电路中，采用2级LM317双重稳压保护，正常情况下U2的输入和输出之间的电压差大于0.7V，三极管Q1导通通，R3和R5并联，合理设置电阻R3、R4、R5、R7、R8的值，使其满足

这样，当U1或U2出现故障短路（只要有一个LM317还能正常工作）时，电源仍可以继续输出稳定的12V电压，实现了两级稳压保护。

图2 降压、整流、滤波电路图

图3 LM317稳压输出

图4 两级稳压保护原理图

过流保护电路介绍

通过电阻分压取样，采用高灵敏电压比较器LM393组成两级过流保护电路，如图5所示，为第二级过流保护电路，当本安输出端短路或输出电流大于预定值时，一方面通过R9、R10串联分压，使得U3的正向输入端输入电压降低，另一方面电流经过R11形成回路产生压降，使得U3的反向输入端的输入电压降低，使得电压比较器U3输出低电平，本电路中U3的输出端连接在U2的调整管脚（第一脚）处，当本安输出过流时，U3输出低电平，使电阻R8对地短路，根据LM317输出电压特性可知：稳压芯片U2的输出电压为1.25V，故此时电路形成保护。

图5 过流保护原理图

同理，使用同样的过流保护电路对稳压芯片U1进行保护，使电路形成两级过流保护。同时在本安输出端使用两个相同的12V稳压管D1、D2双重稳压保护，防止输出端电压意外增大。

测试

任意抽取一块电源进行测试，测得输出电压11.9V，过流保护动作值1.2A，短路电流稳定在23mA，达到了GB3836.4-2010关于本安的要求。接上负载使电源连续工作72小时后再测试，电源参数仍满足要求，在实际设计中可以通过调整分压电阻R9、R10的大小来改变电源的过流保护动作值的大小。该电源取证的本安参数为：UO=12V、IO=1200 、CO=3μf、 LO=0.1mH ，短路稳定电流值≤40mA。

结束语

本文介绍了一种矿用本质安全型电源，该电源已取得煤矿安标证，广泛应用于煤矿井下的各类设备的供电，经过长期的使用，电源性能可靠、工作稳定。事实上该电源不仅可以应用于煤矿井下，还可以用于石油、化工等含有易燃易爆气体的环境中。