Источник питания искробезопасный с аккумуляторной поддержкой и комбинированной защитой Российский патент 2024 года по МПК H02H7/18 E21F9/00 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к искробезопасным источникам питания, и может быть использовано в системах автоматизации, где необходимо использование искробезопасных источников питания и оборудования.

Известен искробезопасный автономный источник питания (RU2652729, опубл. 28.04.2018 г.), состоящий из аккумуляторной батареи, выход которой соединён с входом преобразователя постоянного напряжения в постоянное, в качестве ограничивающего элемента используется последовательно включенный транзистор, управление которым осуществляется с помощью датчика тока. Недостатком изобретения является использование в качестве ограничителя тока включенного последовательно полупроводникового компонента, что не соответствует действующим требованиям искробезопасности для уровня ia, в том числе при условии троирования. Вторым недостатком является использование микроконтроллера с аналогово-цифровым преобразователем, что усложняет программную часть устройства.

Известна цепь искробезопасного ограничивающего напряжение параллельного стабилизатора (RU2673673, опубл. 29.11.2018 г.), которая использует шунтирующие элементы для ограничения напряжения. Цепь заменяет собой классическую связку ограничения напряжения «стабилитрон-предохранитель», что позволяет избавиться от избыточного сопротивления в силовой цепи для уменьшения потерь на внутренних цепях устройства. Из недостатков следует отметить излишнюю сложность схемы, а также невозможность использования такой схемы в цепях, где максимальное напряжение может достигать больше 13В, так как напряжение каток-анод для TLVH431 по технической документации может быть не более 20В, а по требованиям ГОСТ 31610.11–2014 (IEC 60079–11:2011), должен выдерживаться запас по уровню напряжения 1,5 раза.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является искробезопасный источник питания (RU2652729, опубл. 28.04.2018 г.), состоящий из блока питания, выход которого соединён со входом стабилизатора напряжения, соединённым с блоком искрозащиты, включающем в себя последовательно включённый полупроводниковый ключ со схемой управления, собранной на дифференциальном усилителе, сумматоре и триггере. Недостатком такого устройства является использование полупроводникового ключа в последовательном включении, а также использование сумматора, что значительно уменьшает скорость срабатывания защиты.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в независимости систем защит, а также использовании комбинированной системы детектирования короткого замыкания.

Технический результат заявляемого изобретения - увеличение коэффициента полезного действия устройства, обеспечение искробезопасности согласно требованиям ГОСТ 31610.11-201 и применение дополнительного узла ограничения мощности для исключения ложных срабатываний основных независимых каскадов при высоком импульсном характере тока нагрузки.

Указанный технический результат достигается тем, что в отличии от прототипа, в изобретении в качестве узлов защиты используются три основных независимых каскада: узел ограничения напряжения (8) с параллельно включенным транзистором (11.1), узел ограничения тока (10) с параллельно включенным транзистором (11.2) и использующим в качестве детектирующего элемента последовательно включенный резистор шунта (9), узел ограничения скорости нарастания тока (7) с параллельно включенным транзистором (11.3) и использующим в качестве детектирующего элемента последовательно включенную индуктивность (6).

При этом выход блока питания подключен к входу зарядного устройства, один из выходов которого подключен к аккумуляторной батарее, а второй выход подключен к входу DC/DC преобразователя, выход которого подключен к входу предохранителя, выход которого подключен к входу индуктивности и через резистор искробезопасности к первому входу дифференциального усилителя и стабилитрону, выход индуктивности подключен к резистору шунта и через резистор искробезопасности ко второму входу дифференциального усилителя, выход которого подключен к положительному входу компаратора, к отрицательному входу которого подключено ограниченное по искробезопасности опорное напряжение, выход которого подключен через резистор искробезопасности к стабилитрону и через предохранитель к затвору транзистора, который подключен одним контактом к общему проводнику, а вторым – к выходу транзистора ограничения мощности, выход которого подключен к ограничивающему резистору и через искрозащитные резисторы к входу дифференциального усилителя и стабилитрону, а выход ограничивающего резистора к выходу источника питания и через резисторы искробезопасности ко второму входу дифференциального усилителя, выход которого подключен к отрицательному входу компаратора, к положительному входу которого подключено искробезопасное опорное напряжение, а выход через резисторы искробезопасности подключен ко входу стабилитрона и предохранителю, выход которого подключен к затвору транзистора ограничения мощности.

Ложные срабатывания защит при наличие высоких импульсных токов нагрузки исключаются при помощи узла ограничения мощности (14) с последовательно включенным транзистором ограничения мощности (12) и использующим в качестве детектирующего элемента последовательно включенный ограничивающий резистор (13). В случае выхода из строя одного из типов защиты он не окажет никакого влияния на другие, что значительно повышает отказоустойчивость.

Использование схемотехники на дискретных элементах и операционных усилителях без возможности подстройки порогов срабатывания защит исключает ошибку настройки, связанную с человеческим фактором при обеспечении искробезопасности источника питания.

В данном изобретении впервые были применены сразу два типа токоограничения (по порогу и по скорости нарастания), а также последовательный неискробезопасный ключ, который в итоге сглаживает потребление и не приводит к ложным срабатываниям защит. Также из известного уровня техники неизвестно использование активных сопротивлений компонентов цепи для образования выходного делителя с нижним плечом из низкого сопротивления открытого канала транзистора, и итоговое ограничение тока резистором, которое необходимо согласно ГОСТ 31610.11-2014 для уровня безопасности ia с более низким напряжением, что требует меньшего сопротивления и мощности ограничителя и приводит к повышению КПД.

На фиг. 1 показана структурная схема заявляемого искробезопасного источника питания.

На фиг. 2 приведена структурная схема эквивалентного делителя напряжения.

Вход источника питания представляет собой AC/DC преобразователь (1). Данный узел обеспечивает понижение и гальваническую развязку входного напряжения, согласно требованиям искробезопасности (ГОСТ 31610.11-2014 (IEC 60079-11:2011)).

Блок зарядного устройства (2) обеспечивает бесперебойную работу источника в случае пропадания входного напряжения, подключая аккумулятор в цепь разряда, а также обеспечивает заряд и питание в случае наличия входной сети.

Понижающий DC/DC преобразователь (4) выполнен в общепромышленном варианте и не имеет требований искробезопасности. Выход преобразователя (4) подключен к предохранителю (5).

Далее следуют цепи защиты. Выход предохранителя (5) подключён к входу индуктивности (6), которая является детектирующим элементом для защиты, отслеживающей скорость нарастания тока. В случае превышения заданного параметра узел ограничения скорости нарастания тока (7) откроет транзистор (11.3) и выход понижающего DC/DC преобразователя (4) будет подключен к общему проводнику.

Выход индуктивности (6) подключен к входу резистора шунта (9). Он в свою очередь является детектирующим элементом для узла ограничения скорости нарастания тока (7), который при превышении установленного значения тока также шунтирует выход преобразователя (4) на общий проводник.

С выхода резистора шунта (9) ток идёт через последовательно включенный транзистор ограничения мощности (12) и ограничивающий резистор (13) на выход. Ограничивающий резистор (13) является детектирующим компонентом для узла ограничения мощности (14). В случае превышения потребителем мгновенного значения мощности, данная цепь будет производить ограничение, тем самым, не допуская ложных срабатываний цепей искрозащиты (7 или 10).

Ограничение выходного напряжения осуществляется также с помощью параллельно включенного транзистора (11.1) и узла ограничения напряжения (8).

В случае срабатывания любой из защит (кроме ограничения по мощности) на выходе образуется делитель напряжения (фиг.2). В верхнем плече оказываются сопротивление предохранителя (r_FU), активное сопротивление индуктивности (r_L) и сопротивление резистора шунта. В нижнем – сопротивление открытого канала транзистора (r_DS(ON)). В таком режиме для ограничения тока необходимо намного меньшее сопротивление ограничивающего резистора, чем при использовании его в стандартном включении, что приводит к меньшему падению напряжения и мощности, увеличивая КПД и стабильность выходного напряжения.

Область использования изобретения: подземные выработки шахт, опасных по газу (метану) и/или угольной пыли.

Изобретение относится электротехнике и может быть использовано в системах автоматизации в горной промышленности. Техническим результатом является увеличение коэффициента полезного действия устройства, обеспечение безопасности согласно требованиям ГОСТ 31610.11-201, использование полностью независимых контуров защиты. Технический результат достигается использованием в качестве узлов защиты трёх основных независимых каскадов: узел ограничения напряжения (8) с параллельно включенным транзистором (11.1), узел ограничения тока (10) с параллельно включенным транзистором (11.2) и использующим в качестве детектирующего элемента последовательно включенный резистор шунта (9), узел ограничения скорости нарастания тока (7) с параллельно включенным транзистором (11.3) и использующим в качестве детектирующего элемента последовательно включенную индуктивность (6). Ложные срабатывания защит исключаются при помощи узла ограничения мощности (14) с последовательно включенным транзистором ограничения мощности (12) и использующим в качестве детектирующего элемента последовательно включенный ограничивающий резистор (13). 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Искробезопасный источник питания, содержащий блок питания на основе обратноходового преобразователя, отличающийся тем, что также содержит узел ограничения напряжения с параллельно включенным транзистором, узел ограничения тока с параллельно включенным транзистором, при этом выход блока питания подключен к входу зарядного устройства, один из выходов которого подключен к аккумуляторной батарее, а второй выход подключен к входу DC/DC преобразователя, выход которого подключен к входу предохранителя, выход которого подключен к входу индуктивности и через резистор искробезопасности к первому входу дифференциального усилителя и стабилитрону, выход индуктивности подключен к резистору шунта, и через резистор искробезопасности ко второму входу дифференциального усилителя, выход которого подключен к положительному входу компаратора, к отрицательному входу которого подключено ограниченное по искробезопасности опорное напряжение, выход которого подключен через резистор искробезопасности к стабилитрону и через предохранитель к затвору транзистора, который подключен одним контактом к общему проводнику, а вторым – к выходу транзистора ограничения мощности, выход которого подключен к ограничивающему резистору и через искрозащитные резисторы к входу дифференциального усилителя и стабилитрону, а выход ограничивающего резистора к выходу источника питания и через резисторы искробезопасности ко второму входу дифференциального усилителя, выход которого подключен к отрицательному входу компаратора, к положительному входу которого подключено искробезопасное опорное напряжение, а выход через резисторы искробезопасности подключен ко входу стабилитрона и предохранителю, выход которого подключен к затвору транзистора ограничения мощности.

2. Искробезопасный источник питания по п.1, отличающийся тем, что вход и выход резистора шунта подключены к дифференциальному усилителю, выход которого подключен к положительному входу компаратора, к отрицательному входу которого подключено искробезопасное опорное напряжение, а выход через резистор искробезопасности подключен к стабилитрону и входу предохранителя, выход которого подключен к затвору шунтирующего транзистора, один из выходов которого подключен к выходу транзистора ограничения мощности, а второй – к общей шине.