本质安全防爆电源设计技术

本质安全防爆电源设计技术

史开放

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摘要：实际的生产发展中电源安全性至关重要，关系着企业的长治久安的发展以及生命财产的安全，电源电路是保障井下施工的重要的因素，在生产领域中，都有着较为广泛的使用，对于煤矿电气设备来讲，防爆安全更为关键，所以在所有的防爆电气中要具备本质安全方面的特性，本质安全可以为煤矿设备提供所需的电源，保障电气设备的常态化运行，所以是实现生产自动化的核心防爆设备，基于此本文对本质安全型电路开展如下研究，并借助设计案例来介绍本质安全防爆电源设计的相关技术，希望对业内相关人士带来一定的参考。

关键词：本质安全；电源设计；防爆技术

引言

本质安全电源身兼多种功能，有着控制、检测、通信以及监控、报警等多种操作，在实际的生活中应用广泛，尤其是针对煤矿生产领域，本质安全相关设备，可以确保所需电源的供给，保障电气设备的常态化运行，保障生产自动化的运转，是主要的防爆设备，所以本文对防爆电源设计技术进行深层次的探讨。

一、本质安全电源的概念

在相关联的电气设备中，本质安全电源在电气装置系统中可以借助一些措施，将其中的非本质安全输入转换成本质安全输出，在爆炸性的环境中，一般要求关联电气设备内部要安装非能量限制电路和能量限制电路，而且在实际的结构中要防止非能量限制电路对能量限制电路造成影响，因为能量限制电路是本质安全电源的核心部位。在限制电路里，可以控制其中的能量，主要是借助可靠性度较高的控制电路参数将元件与导线的温度控制在一定的燃点下，与此同时，将其中潜伏的火花能量也要限制在可燃气体的混合物能量下，即在正常工作以及规定的故障下，一旦电路有热反应或电火花不能点燃的环境中的爆炸气体，便是本质安全电路。

本质安全型电气设备根据其安全程度不同分为ia和ib两个等级。ia等级是指电路在正常工作、一个或两个计数故障时，都不能点燃爆炸性混合物的电气设备。ib等级是指电路在正常工作或一个计数故障时，不能点燃爆炸性混合物的电气设备。煤矿井下要求的安全等级是ib等级。电源电路与电池要求浇封一体，浇封体从内到外的各种连线都必须是本质安全的，即它们相互打火都不能点燃爆炸性混合物气体。

二、本质安全型开关电源研究的意义

在煤矿、石油、天然气等易燃、易爆危险场所，为了安全起见，所使用的电气设备必须要采取-.些保护措施。据有关统计资料表明，出现故障的电路中约有70%是由供电电源故障造成的。由此可见，提高矿井下本质安全电源的质量具有重要意义。目前防爆电气设备主要有本质安全型、隔爆型、增安型、正压型、浇封型等。其中隔爆型和本质安全型应用最为广泛，本质安全型电气设备与隔爆型相比，其从电路的电气参数上保证了防爆的要求，不需要添加防爆外壳，具有安全程度高、体积小、重量轻、维护方便等优点。因此，用于危险环境下的电气设备,一般都会优先考虑设计成本质安全型。在所有电气设备中，电源又起着至关重要的作用，直接影响设备运行的安全性和可靠性，因此对本质安全电源的研究更是重中之重。

伴随着开关电源技术的蓬勃发展，开始将开关电源应用到本质安全技术中，两者相互结合，研究出了本质安全开关电源，同时具备了两者的优点。通过调整开关占空比可以实现本质安全开关电源的电压输出可调节，其对电网波动具有较强的适应能力、效率高、所占体积小，改善了线性本质安全电源存在的不足之处。此外，本质安全开关电源的频率可以达到更高的频率，因此可以选择使用小容量的电容、电感，符合了本质安全技术的要求。本质安全开关电源的电路拓扑结构多种多样，使用时可以根据实际需要进行选择具有更强的灵活性。综合表明，本质安全开关电源必然会成为未来发展的一个趋势。

三、电源电路设计

3.1简单电源

在许多实际应用中，有一些电子仪器仪表工作电流很小，通常工作电流都在100mA以內，可采用图1所示的简单电路。

1所示的电路中R1是能量限制元件，电池通过R1向负载RL供电。当R1上的电流较大时，R1的功率消耗就要增大，产生的热量增多，而且这种热量是有害的，这种设计不合理，就要选择其它内部功率消耗较小的电源电路。R1是能量限制元件，决定电源电路的最大电流（当RL=0时）。R1的阻值按3836.4-2000的附录1的曲线选取，R1的最大功率消耗（当RL=0时）不能超过R1标称功率的2/3，R1应使用无感电阻。

3.2线性电源

方案一：采用2个线性稳压器件串联组成本安电源，如图2所示。

图中的U1U2是2个线性稳压集成电路，U1的输出较U2的输出高。这种设计是利用线性稳压器件本身的限流、限压性能实现限制电源能量的目的。有的线性稳压器件对滤波电容有一定的要求，使用时要认真阅读线性稳压器件的技术说明。这种设计简单实用，使用可靠，故障率低。但是这种设计电池电压变化范围不大的情况下使用较为合理。如果电池电压升高，U1的功率消耗就会增大，这对电源来说是不利的。

方案二：图3所示的是一种经典的线性本质安全型防爆电器的电源电路，电流限制是由比较器AR1和AR2以及电阻R1，R2，R3，R4，R5，R6组成的双重限流电路通过开关Q1实现的，过压保护是由稳压管D1，D2实现的。R1，R2的功率按最大短路电流来计算，D1，D2的击穿电压按U1的输出电压来选取，选取的原则是U1的输出电压正常时，D1，D2不工作在击穿状态。例如U1输出5V电压，D1，D2的击穿电压应选取6V以上的稳压管。这个设计优点是最大输出电流可以任意设置、控制精确。缺点是电路较为复杂，调试困难。D1，D2的击穿电压应选取6V以上的稳压器。

3.3开关电源

现在开关电源技术（即DC/DC电源）无论是在理论还是在实际电路中的应用都已经非常成熟。图4是DC/DC电源的一种应用，U1是DC/DC变换器。DC/DC电源输入范围大（通常在9～18V），输出电压灵活，还具有输入输出隔离、过压过流保护、输出控制等功能，使用非常方便，特别在多地不共的应用中体现得非常明显。DC/DC电源的另一优点是它的内耗是基本恒定的，也就是输入在9～18V变化时它的内部消耗是基本不变化的；但是DC/DC电源纹波大，一般都在几十毫伏，不适用小信号采集和处理电路，而对于一般数字电路足以满足使用。

结语

本质安全型防爆电源的设计方案很多，这里仅介绍了其中的几种方案，主要是想通过这几个例子阐明本质安全型防爆电源的设计思想。各种电源电路都有各自的优缺点，满足一定用途，使用时要依据具体用途综合分析判断。

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