Способ искробезопасного электропитания Советский патент 1988 года по МПК E21F9/00 

СП

о:

Изобретение относится к горной электротехнике и может быть использовано при создании искробезопасных систем питания энергоемкого электрооборудования, работающего во взрывоопасной атмосфере.

Целью изобретения является увеличение искробезопасной мощности, постоянно потребляемой нагрузкой.

Сущность изобретения заключается в передаче энергии по линиям связи при иск- робезопасном значении тока, накоплении передаваемой энергии в накопителе при отключенной нагрузке и ограничении энергии, выделяемой в разряд со стороны источника питания и накопителя с нагрузкой при коротком замыкании цепи, подключении маломощного источника с искробезо- пасным значением тока, определяемым по характеристикам искробезопасности, к накопителю, контроле величины напряжения на выходе источника, а при достижении им заданной величины увеличения мощности источника путем уменьшения его сопротивления до величины, определяемой из соотношения

R

Е-и

где Е - ЭДС источника питания;

и - заданная величина выходного напряжения;

I - значение тока, определяемое по характеристикам искробезопасности для безреактивной Цепи при напряжении (Е-U),

в последующем подключении нагрузки к накопителю.

На фиг.. 1 показана функциональная схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - принципиальная схема источника питания; на фиг. 3 - принципиальные схе.мы накопителя и блока подключения нагрузки.

Устройство, реализующее способ, состоит из источника 1 питания, накопителя 2, блока 3 подключения нагрузки и нагрузки 4. Источник питания (фиг. 2) содержит источник 5 электроэнергии и схему 6 управления, состоящую из силового транзистора 7 с резистором 8 и стабилитроном 9 в базовой цепи. Резистор 10 шунтирует переход коллектор-эмиттер транзистора 7. Резистор 11 и стабилитрон 12 представляют совместно с транзистором 7 ограничитель тока. Кроме того, источник питания содержит схему контроля напряжения на сопротивлении источника питания, состоящую из транзисторов 13 и 14, стабилитронов 15 и 16, а также резисторов 17-20.

Накопитель 2 {фиг. 3) состоит из включенных последовательно конденсатора 21 и измерительного резистора 22 (величина сопротивления порядка 1-5 Ом).

Блок 3 подключения нагрузки (фиг. 3) содержит силовой транзистор 23 с резистором 24 и стабилитроном 25 в базовой цепи, триггер на транзисторах 26 и 27,резисторах 28-33 и конденсаторе 34, а также узел контроля напряжения на конденсаторе 21 (накопителе) и узел контроля напря- 5 жения на резисторе 22. Узел контроля напряжения на конденсаторе 21 состоит из транзисторов 35-37, стабилитронов 38 и 39 и резисторов 40-47. Входом узла контроля напряжения на конденсаторе 21 является баQ за транзистора 35, соединенная через резистор 46 с положительным полюсом конденсатора 21. Выходом узла контроля напря-. жения на конденсаторе 21 является коллектор транзистора 37, соединенный через резистор 47 с базой транзистора 27, яв5 ляющейся одним из входов триггера.

Узел контроля напряжения на резисторе 22 состоит из транзисторов 48 и 49, стабилитронов 50 и 51, диода 52, резисторов 53-58 и конденсатора 59. Входом узла является база транзистора 48, соединенная с общей точкой конденсатора 21 и резистора 22 через резистор 57, а выходом - коллектор транзистора 49, соединенный через RC-цепочку из резистора 5f и емкости 59 с базой транзистора 26 -

5 другим входом триггера. Резистор 58 служит для разряда емкости 59 и зашунтирован диодом 52.

В случае индуктивного характера нагрузки последняя шунтируется диодом.

Q Напряжение на выходе источника питания определяется как разность между ЭДС источника питания и падением напряжения на сопротивлении источника. Последнее при питании от вторичной обмотки трансформатора или от аккумуляторной батареи в ос5 новном определяется сопротивлением резисторов 10 и 11 и транзистора 7. Поэтому, зная ЭДС источника питания и контролируя напряжение на сопротивлении источника питания, получают напряжение на выходе источника. Контроль выходного напряжения

целесообразно проводить таким образом, а не прямым измерением, так как при одинаковой точности измерения достигается более высокая точность контроля выходного напряжения. Падение напряжения на сопротив5 лении источника питания в момент его снижения не превышает 3-5 В, и на эту величину отличаются ЭДС источника и его выходное напряжение,-значение которых в основном находится в пределах 20-60 В. То есть, измеряемая величина составляет поряд0 ка 10% от контролируемого напряжения на выходе. Соответственно снижается и относительная погрешность контроля выходного напряжения источника.

Устройство работает следующим образом. До подключения нагрузки (с накопите5 лем и блоком подключения нагрузки) транзистор 7 открыт, так как по цепи резистор 8 - стабилитрон 9 протекает его базовый ток, а транзистор 4 - закрыт.

так как сумма падения напряжения на резисторе 11 и напряжения на коллекторе- эмиттере транзистора 7 ниже напряжения стабилизации стабилитрона 16, а, следовательно, базовый ток транзистора 14 не протекает. Сопротивление резистора 11 выбирается из условия R (Е-U)/l. Транзистор 13 открыт, так как по цепи резистор 8 - резистор 19 - стабилитрон 15 обеспечивается протекание его базового тока. Блок

ка отключена. Блок контроля напряжения на конденсаторе 21 обеспечивает отключение нагрузки при малом напряжении на накопителе. При этом сопротивление нагрузки не шунтирует накопитель и последний заряжается через высокое сопротивление источника. Когда напряжение на конденсаторе становится выше суммы напряжения стабилизации стабилитрона 38 и падения напряжения на переходе база-эмиттер транподключения нагрузки и сама нагрузка обес- Ю зистора 35, транзистор 35 открывается,

точены, накопительный конденсатор 21 разряжен.

При подсоединении к источнику нагрузки с накопителем и ее блоком подключения в первоначальный момент происходит скачкообразное увеличение тока источника по цепи заряда емкости 21 через резистор 22 малой величины. Подключение разряженного конденсатора 21 к выходу источника питания близко к короткому замыканию его вы15

транзистор 36 закрывается, а транзистор 37 открывается, шунтируя базовый ток транзистора 27, протекаюш,ий через резистор 47, но триггер продолжает находиться в том же состоянии. По мере заряда конденсатора 21 напряжение на выходе источника растет, напряжение на сопротивлении источника, равном сумме сопротивлений резисторов 10 и 11, уменьшается.

Когда напряжение на выходе источника

ходных зажимов. При этом сумма падения20 достигает заданного значения, падение нанапряжения на резисторе 11 и на база-пряжения на резисторах 10 и 11 станоэмиттерном переходе транзистора 7 превы-вится ниже суммы падения напряжения

шает напряжение стабилизации стабилитро-на база-эмиттерном переходе транзистора

на 12, он открывается, уменьшая базовый14 и напряжения стабилизации стабилитроток транзистора 7. Это приводит к прикры-на 16, транзистор 14 закрывается, приводя

ванию последнего и увеличению падения к открыванию транзисторов 7 и 13. Открынапряжения между его коллектором и эмит-вание транзистора 13 приводит к более бысттером (срабатывает ограничитель тока), а, следовательно, и на стабилитроне 16. При достижении этим напряжением величины суммы напряжения стабилизации стабилит- OQ рона 16 и падения напряжения на база- эмиттерном переходе транзистора 14 последний открывается, шунтируя базовые цепи транзисторов 7 и 13. Напряжение стабилизации стабилитронов 9, 15 и 16 выбирается из условия UcTie UCTIS ; UcTg. Поэтому транзисторы 7 и 13 запираются, причем закрывание транзистора 7 приводит к увеличению сопротивления источника до значения, равного сумме сопротивлений резисторов 10 и 11. Закрывание транзистора 13

35

рому закрыванию транзистора 14 за счет положительной обратной связи через резистор 18.

Транзистор 7 открывается, при этом снижается сопротивление источника за счет шунтирования резистора 10. Снижение сопротивления источника питания приводит к cKaL кообразному увеличению зарядного тока через конденсатор 21, и на резисторе 22 выделяется напряжение, превышаюшее сумму падения напряжения на база-эмиттерном переходе транзистора 48 и напряжения стабилизации стабилитрона 50. Транзистор 48 открывается, вызывая закрывание транзистора 49. Напряжение на коллекторе посприводит (через резистор 18) к более быст- 40 леднего скачкообразно увеличивается и через диод 52 и конденсатор 59 на базу транзистора 26 поступает открываюш,ий импульс тока. Триггер меняет состояние: транзистор 26 открывается, а транзистор 27 закрывается. Силовой транзистор 23 открырому и полному открыванию транзистора 14. После увеличения сопротивления источника происходит заряд накопительного конденсатора 21 через резисторы 10, 11 и 22. Напряжение стабилизации стабилитрона 50

рез диод 52 и конденсатор 59 на базу транзистора 26 поступает открываюш,ий импульс тока. Триггер меняет состояние: транзистор 26 открывается, а транзистор 27 закрывается. Силовой транзистор 23 открывыбирается большим, чем напряжение на ре- вается, подключая нагрузку к накопителю, зисторе 22 при заряде накопительного кон-, денсатора 21 в этом режиме. Поэтому транзистор 48 закрыт, транзистор 49 открыт и открывающий имаульс на базу транзистора 26 не поступает. При напряжении на кон- Q денсаторе 21 ниже напряжения стабилизации стабилитрона 38, которое выбирается из условия , транзистор 35 также закрыт, транзистор 36 открыт, а транзистор 37 закрыт и напряжение с его коллектора через резистор 47 подается на базу тран- 55 заданной величиной выходного напряжения зистора 27. Поэтому триггер находится в источника, т.е. величины (Е-U). Поскольку таком состоянии, когда транзистор 27 открыт, значение тока в цепи не превышает зна- а транзистор 26 закрыт. Транзистор 23 на- чения, определяемого по характеристикам ходится в закрытом состоянии и нагруз- искробезопасности для безреактивной цепи

Если не происходит отключение источника питания от блока подключения нагрузки, то конденсатор 21 дозаряжается до номинального значения, равного напряжению на выходе источника.

В случае коммутации цепи, соединяюплей источник питания с блоком подключения нагрузки, максимальное напряжение на рас- ходяшихся контактах не может превысить разности между ЭДС источника питания и

ка отключена. Блок контроля напряжения на конденсаторе 21 обеспечивает отключение нагрузки при малом напряжении на накопителе. При этом сопротивление нагрузки не шунтирует накопитель и последний заряжается через высокое сопротивление источника. Когда напряжение на конденсаторе становится выше суммы напряжения стабилизации стабилитрона 38 и падения напряжения на переходе база-эмиттер транзистора 35, транзистор 35 открывается,

транзистор 36 закрывается, а транзистор 37 открывается, шунтируя базовый ток транзистора 27, протекаюш,ий через резистор 47, но триггер продолжает находиться в том же состоянии. По мере заряда конденсатора 21 напряжение на выходе источника растет, напряжение на сопротивлении источника, равном сумме сопротивлений резисторов 10 и 11, уменьшается.

Когда напряжение на выходе источника

вание транзистора 13 приводит к более быстOQ

35

рому закрыванию транзистора 14 за счет положительной обратной связи через резистор 18.

Транзистор 7 открывается, при этом снижается сопротивление источника за счет шунтирования резистора 10. Снижение сопротивления источника питания приводит к cKaL кообразному увеличению зарядного тока через конденсатор 21, и на резисторе 22 выделяется напряжение, превышаюшее сумму падения напряжения на база-эмиттерном переходе транзистора 48 и напряжения стабилизации стабилитрона 50. Транзистор 48 открывается, вызывая закрывание транзистора 49. Напряжение на коллекторе пос40 леднего скачкообразно увеличивается и челеднего скачкообразно увеличивается и через диод 52 и конденсатор 59 на базу транзистора 26 поступает открываюш,ий импульс тока. Триггер меняет состояние: транзистор 26 открывается, а транзистор 27 закрывается. Силовой транзистор 23 открывается, подключая нагрузку к накопителю, заданной величиной выходного напряжения источника, т.е. величины (Е-U). Поскольку значение тока в цепи не превышает зна- чения, определяемого по характеристикам искробезопасности для безреактивной цепи

вается, подключая нагрузку к накопителю, заданной величиной выходного напряжения источника, т.е. величины (Е-U). Поскольку значение тока в цепи не превышает зна- чения, определяемого по характеристикам искробезопасности для безреактивной цепи

Если не происходит отключение источника питания от блока подключения нагрузки, то конденсатор 21 дозаряжается до номинального значения, равного напряжению на выходе источника.

В случае коммутации цепи, соединяюплей источник питания с блоком подключения нагрузки, максимальное напряжение на рас- ходяшихся контактах не может превысить разности между ЭДС источника питания и

при напряжении (Е-U), то возникающие при коммутации цепи электрические разряды не представляют опасности с точки зрения воспламенения взрывоопасной газовой смеси. Ток источника не может превысить значение, определяемое по характеристикам искробезопасности, так как в противном случае падение напряжения на резисторе 11 превысит величину (Е-U), а значит выходное напряжение источника уменьшится ниже заданной величины U и произойдет увеличение сопротивления источника. То же самое произойдет и при коротком замыкании выходных зажимов источника.

Устройство, реализующее способ, было испытано на искробезопасность выходной цепи источника питания при следующих параметрах: ЭДС источника питания равна 30 В, заданная величина выходного напряжения источника 25 В, значение искробе- зопасного тока, определяемое по характеристикам искробезопасности для напряжения (Е-U), равного 5 В - 12 А, сопротивление резистора 11 равно 0,6 Ом. Получен искробезопасный ток источника питания 3,5 А. При этом мощность, постоянно реализуемая в нагрузке, составила 90 Вт, что существенно больше, чем при использовании известных способов искробезопасного электропитания.

Применение предлагаемого способа nosj волит за смет увеличения искробезопасной мощности электрических цепей расширить функциональные возможно сти аппаратуры автоматизации, работающей во взрывоопасной атмосфере, так как увеличение искробезопасной мощности позволяет подключить дополнительные нагрузки при сохранении искробезопасности.

Формула изобретения

Способ искробезопасного электропитания, основанный на передаче энергии по линиям связи при искробезопасном значении тока, определяемом по характеристикам искробезопасности, накоплении передаваемой энергии в накопителе при отключенной нагрузке, а также на ограничении энергии, выделяемой в разряд со сторонь источника питания и накопителя с нагрузкой при коротком замыкании цепи, отличающийся тем, что, с целью увеличения моц1- ности, постоянно потребляемой нагрузкой, контролируют величину напряжения на выходе источника питания, а при достижении им заданной величины увеличивают мощность источника питания путем уменьшения его сопротивления до величины, определяемой из соотношения

R

Е-и

где Е - ЭДС источника питания;

и - заданная величина выходного напряжения;

J значение тока, определяемое по характеристикам искробезопасности для безреактивной цепи при напряжении (Е-U), после чего подключают нагрузку к накопителю.

Изобретение относится к горной электротехнике. Цель изобретения - увеличение мощности, постоянно потребляемой нагрузкой. Передают энергию по линии связи при искробезопасном значении тока. Передаваемую энергию накапливают в накопителе (Н) при отключенной нагрузке и отключении энергии, выделяемой в разряд со стороны источника питания и Н при коротком замыкании цепи. Подключают маломощный источник с искробезопасным значением тока, определяемым по характеристикам искро- безопасности, к Н. Контролируют величину напряжения на выходе источника питания, а при достижении им заданной величины увеличивают мощность источника путем уменьшения его сопротивления R до величины, определяемой из соотношения R (Е-U)/I, где Е - ЭДС источника питания,; и - заданная величина выходного напряжения; I - значение тока, определяемое по характеристикам искробезопасности для безреактивной цепи при напряжении (Е-LJ). Затем подключают нагрузку к накопителю. 3 ил. ю сл

-0-0- -0-0.

жги