CN103812164B - 分级启动式矿用本安电源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的分级启动式矿用本安电源，至少包括接收直流电并将直流电进行升压或降压处理的DC/DC电源单元、安全栅电路、蓄电池组、电源供电控制电路、蓄电池供电控制电路、用于获取蓄电池组的电压并与设置的基准电压进行比较运算的电压比较单元以及控制单元；所述DC/DC电源单元通过电源供电控制电路与所述安全栅电路电连接；所述蓄电池组通过蓄电池供电控制电路与所述安全栅电路电连接；所述电压比较单元输入端与蓄电池组电连接，输出端与DC/DC电源单元电连接，所述控制单元由DC/DC电源单元供电并向电源供电控制电路和蓄电池供电控制电路输出控制信号，所述控制单元还与所述蓄电池组的正极电连接；本发明的分级启动式矿用本安电源，能够避免本安电源启动时的大电流造成的本安电源的误触发，保障本安电源能够稳定持久地运行，从而增强本安电源的带载能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种本安电源，尤其涉及一种分级启动式矿用本安电源。
背景技术
本安电源即本质安全电源，这种电源在正常工作和故障状态下，其输出的最高电压、最大电流均具有本安性能。本安电源在矿井中运用十分广泛，目前的矿用本安电源的备用时间要求为不小于2小时，然而，随着矿井下紧急避险***的推广应用，则要求紧急避险***的本安电源的备用时间不小于96小时，但是现有技术中的本安电源的备用时间远不能达到96小时的备用要求，不利于矿井中紧急避险***的稳定运行，易造成安全隐患；并且，现有技术中的本安电源在启动时往往采用直接启动的方式，启动时的瞬间电流大，对输入本安电源的冲击大，造成本安电源不能够持久稳定运行，从而使得本安电源的带负载能力差，不能保证负载设备的稳定运行。
因此，需要提出一种新型的矿用本安电源，一方面能够有效增加本安电源的备用时间，保证矿井中包括紧急避险***在内的本安设备稳定运行；另一方面，能够有效避免本安电源启动式大电流对输入本安电源的的冲击，增强本安电源的带负载能力。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种分级启动式矿用本安电源，一方面能够有效增加本安电源的备用时间，保证矿井中包括紧急避险***在内的本安设备稳定运行；另一方面，能够有效避免本安电源启动时大电流对本安电源的冲击，增强本安电源的带负载能力。
本发明提供的分级启动式矿用本安电源，至少包括接收直流电并将直流电进行升压或降压处理的DC/DC电源单元、安全栅电路、蓄电池组、电源供电控制电路、蓄电池供电控制电路、用于获取蓄电池组的电压并与设置的基准电压进行比较运算的电压比较单元以及控制单元；
所述DC/DC电源单元通过电源供电控制电路与所述安全栅电路电连接；所述蓄电池组通过蓄电池供电控制电路与所述安全栅电路电连接；所述电压比较单元输入端与蓄电池组电连接，输出端与DC/DC电源单元电连接，所述控制单元由DC/DC电源单元供电并向电源供电控制电路和蓄电池供电控制电路输出控制信号，所述控制单元还与所述蓄电池组的正极电连接。
进一步，所述电压比较单元还设置有用于降低电压比较单元中的比较参考电压值的比较参考电压设定电路，所述比较参考电压设定电路输入端与控制单元电连接，输出端与电压比较单元的输入端电连接。
进一步，所述DC/DC电源模块的输入端设置有启动电压设定电路和启动保护电路，所述启动保护电路的输入端接直流电源，启动保护电路的输出端与启动电压设定电路和DC/DC电源模块的电压设定端电连接，所述启动电压设定电路与DC/DC电源模块的输入端电连接。
进一步，所述电压比较单元的输入端设置有电流放大电路，所述电流放大电路用于获取蓄电池电流经放大后向电压比较单元输出。
进一步，所述电源供电控制电路包括MOS管T1(金属氧化物半导体场效应晶体管)、MOS管T2、二极管D6、三极管Q3、三极管Q4以及二极管D5；
所述MOS管T1的源极与DC/DC电源单元输出端电连接，所述MOS管T1的漏极与二极管D5的正极电连接，二极管D5的负极与蓄电池组的正极电连接，MOS管T1的栅极与三极管Q3的集电极电连接，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的基极与控制单元电连接；MOS管T2的源极与MOS管T1的源极电连接，MOS管T2的漏极与二极管D6的正极电连接，二极管D6的负极与安全栅电路的输入端电连接，MOS管T2的栅极与三极管Q4的集电极电连接，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的基极与控制单元的输出端电连接。
进一步，所述蓄电池供电控制电路包括MOS管T3、MOS管T4、三极管Q5以及三极管Q6；
所述MOS管T3的源极与蓄电池组的正极电连接，MOS管T3的漏极与MOS管T4的漏极电连接，MOS管T4的源极与安全栅电路的输入端电连接，所述MOS管T3的栅极与三极管Q5的集电极电连接，MOS管T4的栅极与三极管Q6的集电极电连接，所述三极管Q5和三极管Q6的基极均与控制单元输出端电连接，所述三极管Q5和三极管Q6的发射极接地。
进一步，所述电压比较单元包括运放U1、第四电阻R4、第八电阻R8、第二电阻R2、第十三电阻R13、第一电容C1、第四二极管D4以及第十四电阻R14；
所述运放U1的同相端通过第四电阻R4与电流放大电路的输出端电连接，所述运放U1的反相端与第八电阻R8的一端连接，第八电阻R8的另一端作为基准电压输入端，所述运放U1的输出端与第四二极管D4的正极电连接，第四二极管D4的负极通过第十四电阻R14与DC/DC电源电源电连接；所述运放U1的输出端通过第一电容和第十三电阻R13串联后与反相端电连接，所述运放U1的反相端还通过第二电阻R2接地。
进一步，所述比较参考电压设定电路包括第三电阻R3、第七电阻R7、三级管Q1以及三极管Q2；
所述三极管Q2的基极与控制单元的输出端电连接，三极管Q2的集电极通过第七电阻R7与运放U1的反相端电连接，三极管Q1的基极与控制单元的输出端电连接，三极管Q1的集电极通过第三电阻R3与运放U1的反相端电连接，所述三极管Q1和三极管Q2的发射极接地。
进一步，所述启动电压设定电路包括第五电阻R5、第六电阻R6以及第四电容C4，所述DC/DC电源单元的电源设定端通过第四电容C4接地，所述DC/DC电源单元的电源设定端通过第五电阻R5与启动保护电路输出电连接，所述DC/DC电源单元的电源设定端通过第六电阻R6接地。
进一步，所述启动保护电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R1、第三二极管D3以及第二电容C2，所述第二电容为电解电容；
所述第一二极管D1的正极与作为本安电源的输入端接直流电源，第一二极管D1的负极通过第一电阻R1与第二电容C2的正极电连接，第二电容的负极接地，第二电容C2的正极与第三二极管D3的正极电连接，第三二极管D3的负极与DC/DC电源单元的输入端电连接，第一二极管D1的负极还与第二二极管D2的正极电连接，第二二极管D2的负极与DC/DC电源单元的输入端电连接。
本发明的有益效果：
本发明的分级启动式矿用本安电源，在启动时采用小电流运行，然后逐渐增大工作电流直至稳定，实现不同电流级的启动，能够避免本安电源的启动电流对本安电源造成的冲击，避免本安电源启动时的大电流造成的本安电源的误触发，保障本安电源能够稳定持久地运行，从而增强输入本安电源的带载能力；另一方面，在本安电源中增加备用电池，能够有效增加本安电源的备用时间，保证矿井中包括紧急避险***在内的本安设备稳定运行。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明的电路原理图。
具体实施方式
图1为本发明的原理框图，图2为本发明的电路原理图，如图所示，本发明提供的分级启动式矿用本安电源，至少包括接收直流电（为24V的直流电）并将直流电进行升压或降压处理的DC/DC电源单元、安全栅电路、蓄电池组BAT、电源供电控制电路、蓄电池供电控制电路、用于获取蓄电池组BAT的电流并与设置的基准电流进行比较运算的电压比较单元以及控制单元；
所述DC/DC电源单元通过电源供电控制电路与所述安全栅电路电连接；所述蓄电池组通过蓄电池供电控制电路与所述安全栅电路电连接；所述电压比较单元输入端与蓄电池组电连接，输出端与DC/DC电源单元电连接，所述控制单元由DC/DC电源单元供电并向电源供电控制电路和蓄电池供电控制电路输出控制信号，所述控制单元还与所述蓄电池组的正极电连接；本发明的分级启动式矿用本安电源，在启动时采用小电流运行，然后逐渐增大工作电流直至稳定，实现不同电流级的启动，能够避免本安电源的启动电流对本安电源造成的冲击，避免本安电源启动时的大电流造成的本安电源的误触发，保障本安电源能够稳定持久地运行，从而增强输入本安电源的带载能力；另一方面，在本安电源中增加备用电池，能够有效增加本安电源的备用时间，保证矿井中包括紧急避险***在内的本安设备稳定运行。
本实施例中，所述电压比较单元还设置有用于降低电压比较单元中的比较参考电压值的比较参考电压设定电路，所述比较参考电压设定电路输入端与控制单元电连接，输出端与电压比较单元的输入端电连接，通过比较参考电压设定电路，能够调节DC/DC电源模块的输出电流以及功率的大小，以延长本安电源的备用时间以及增强本安电源的带载能力。
本实施例中，所述DC/DC电源模块的输入端设置有启动电压设定电路和启动保护电路，所述启动保护电路的输入端接直流电源，启动保护电路的输出端与启动电压设定电路和DC/DC电源模块的电压设定端电连接，所述启动电压设定电路与DC/DC电源模块的输入端电连接。
本实施例中，所述电压比较单元的输入端设置有电流放大电路，所述电流放大电路用于获取蓄电池电流经放大后向电压比较单元输出，所述电流放大电路包括第五电容C5、第九电阻R9、运放U2、第十电阻R10、第十一电阻R11，所述运放U2的反相端通过第十电阻R10接地，运放U2的同相端通过第十一电阻R11与蓄电池组的负极电连接，所述第五电容C5和第九电阻R9并连接后连接于所述运放U2的反相端与输出端之间，所述运放U2的输出端作为电流放大电路的输出端。
本实施例中，所述电源供电控制电路包括MOS管T1(金属氧化物半导体场效应晶体管)、MOS管T2、二极管D6、三极管Q3、三极管Q4以及二极管D5；
所述MOS管T1的源极与DC/DC电源单元输出端电连接，所述MOS管T1的漏极与二极管D5的正极电连接，二极管D5的负极与蓄电池组的正极电连接，MOS管T1的栅极与三极管Q3的集电极电连接，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的基极与控制单元电连接；MOS管T2的源极与MOS管T1的源极电连接，MOS管T2的漏极与二极管D6的正极电连接，二极管D6的负极与安全栅电路的输入端电连接，MOS管T2的栅极与三极管Q4的集电极电连接，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的基极与控制单元的输出端电连接。
本实施例中，所述蓄电池供电控制电路包括MOS管T3、MOS管T4、三极管Q5以及三极管Q6；
所述MOS管T3的源极与蓄电池组的正极电连接，MOS管T3的漏极与MOS管T4的漏极电连接，MOS管T4的源极与安全栅电路的输入端电连接，所述MOS管T3的栅极与三极管Q5的集电极电连接，MOS管T4的栅极与三极管Q6的集电极电连接，所述三极管Q5和三极管Q6的基极均与控制单元输出端电连接，所述三极管Q5和三极管Q6的发射极接地，所述蓄电池组还通过第十二电阻R12接地。
本实施例中，所述电压比较单元包括运放U1、第四电阻R4、第八电阻R8、第二电阻R2、第十三电阻R13、第一电容C1、第四二极管D4以及第十四电阻R14；
所述运放U1的同相端通过第四电阻R4与电流放大电路的输出端电连接，通过电流放大电路以及第四电阻R4的作用，运放U1的同相端输入为与蓄电池充电电流成比例的电压，所述运放U1的反相端与第八电阻R8的一端连接，第八电阻R8的另一端作为基准电压输入端，基准电压为2.5V，且基准电压通过第八电阻R8后加到运放U1的反相端，所述运放U1的输出端与第四二极管D4的正极电连接，第四二极管D4的负极通过第十四电阻R14与DC/DC电源电源电连接；所述运放U1的输出端通过第一电容和第十三电阻R13串联后与反相端电连接，所述运放U1的反相端还通过第二电阻R2接地。
本实施例中，所述比较参考电压设定电路包括第三电阻R3、第七电阻R7、三级管Q1以及三极管Q2；
所述三极管Q2的基极与控制单元的输出端电连接，三极管Q2的集电极通过第七电阻R7与运放U1的反相端电连接，三极管Q1的基极与控制单元的输出端电连接，三极管Q1的集电极通过第三电阻R3与运放U1的反相端电连接，所述三极管Q1和三极管Q2的发射极接地。
本实施例中，所述启动电压设定电路包括第五电阻R5、第六电阻R6以及第四电容C4，所述DC/DC电源单元的电源设定端通过第四电容C4接地，所述DC/DC电源单元的电源设定端通过第五电阻R5与启动保护电路输出电连接，所述DC/DC电源单元的电源设定端通过第六电阻R6接地。
本实施例中，所述启动保护电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R1、第三二极管D3以及第二电容C2，所述第二电容为电解电容；
所述第一二极管D1的正极与作为本安电源的输入端接直流电源，第一二极管D1的负极通过第一电阻R1与第二电容C2的正极电连接，第二电容的负极接地，第二电容C2的正极与第三二极管D3的正极电连接，第三二极管D3的负极与DC/DC电源单元的输入端电连接，第一二极管D1的负极还与第二二极管D2的正极电连接，第二二极管D2的负极与DC/DC电源单元的输入端电连接，通过第一二极管D1和第二二极管D2，可以防止第二电容C2以及第三电容C3的反向电流而影响安全。
本发明的工作原理：
在电压比较单元中，运放U1的反相输入端为基准电压，该基准电压与运放U1的同相端输入电压（该电压与蓄电池的充电电流成比例）进行比较，当运放U1的同相端输入电压高于运放U1的反相端的基准电压，运放U1的输出端将输出高电平，该高电平将反馈到DC/DC电源控制脚FB使DC/DC电源的输出端电压变低，DC/DC电源的输出电压降低将导致蓄电池的充电电流降低；而当运放U1的同相端输入电压低于运放U1的反相端的基准电压，运放U1的输出端将输出低电平，该低电平将反馈到DC/DC电源控制脚FB使DC/DC电源的输出端电压变高，DC/DC电源的输出电压升高将导致电池的充电电流增大。
在比较参考电压设定电路中，IC1、IC2均为高电平时，三级管Q1和三极管Q2都导通，此时运放U1的反相端输入电压将变为最小值；而IC1和IC2均为低电平时，三级管Q1和三极管Q2都截止，此时运放U1的反相端输入电压将变为最大值，而IC1为高电平、IC2为低电平时，三极管Q1导通、三极管Q2截止，此时运放U1的反相端输入电压将变为设定的中间值。这样通过设定运放U1的反相端输入电压的电压值就可以实现控制蓄电池的充电电流值。
当本发明上电后，首先对第二电容C2充电，DC/DC电源模块延迟启动，可以避免电压不稳对DC/DC电源模块造成影响，当电压稳定后，由启动电压设定电路通过DC/DC电源模块的使能端Enable输入启动电压，是DC/DC电源模块启动，DC/DC电源模块输出稳定电压，并向控制单元（本发明的控制单元采用单片机）的VDC端供电，控制单元启动，并且控制单元的IC1、IC2以及CH端子输出高电平，运放U1的反相端电压最低，并且控制单元端子FD1、FD2以及DHC输出低电平，使MOS管T1、三极管Q1和三级管Q2导通，并且MOS管T3、MOS管T4以及MOS管T2均截止，此时，运放U1输出高电平并反馈到DC/DC电源模块中使DC/DC电源模块输出低电压，并给蓄电池以小电流进行充电，并且使安全栅电路输出的功率最低（没有输出），第六电容C6中有电压值，本发明完成启动；
当控制单元IC1端子输出电平，而IC2端子输出高电平，此时运放U1的反相端的输入电压处于中间值，因而运放U1反馈给DC/DC电源模块控制信号使DC/DC电源模块输出电压逐步升高到中间值，从而使对蓄电池充电的电流逐步提升到中间值，此时控制单元继续输出控制命令，使IC1端子和IC2端子输出低电平，运放U1输出低电平使DC/DC电源模块输出高电压供电，蓄电池的充电电流也继续增大为大电流，当蓄电池的充电电流达到设定值（由控制单元检测），控制单元使端子FD1和DHC输出高电平，控制MOS管T2导通，DC/DC电源模块直接向安全栅电路供电，安全栅电路向负载输出电流，并且MOS管T3也导通，由于MOS管中存在续流二极管，蓄电池供电通路在此时导通，此时蓄电池的电压低于二极管D6负极电压而未向外部供电；
当外部无直流电输入时，本安电源输出电能完全有蓄电池提供，蓄电池输出的电压经过安全栅电路向外输出，控制单元由蓄电池供电工作，使蓄电池供电通路完全打开。
当本安电源需要级联设备时，控制单元的端子IC1和IC2同时输出高电平，从而使DC/DC电源模块输出低电压并减小输出电流。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方安而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方安进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方安的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种分级启动式矿用本安电源，其特征在于：至少包括接收直流电并将直流电进行升压或降压处理的DC/DC电源单元、安全栅电路、蓄电池组、电源供电控制电路、蓄电池供电控制电路、用于获取蓄电池组的电压并与设置的基准电压进行比较运算的电压比较单元以及控制单元；
所述DC/DC电源单元通过电源供电控制电路与所述安全栅电路电连接；所述蓄电池组通过蓄电池供电控制电路与所述安全栅电路电连接；所述电压比较单元输入端与蓄电池组电连接，输出端与DC/DC电源单元电连接，所述控制单元由DC/DC电源单元供电并向电源供电控制电路和蓄电池供电控制电路输出控制信号，所述控制单元还与所述蓄电池组的正极电连接；
所述电源供电控制电路包括MOS管T1、MOS管T2、二极管D6、三极管Q3、三极管Q4以及二极管D5；
所述MOS管T1的源极与DC/DC电源单元输出端电连接，所述MOS管T1的漏极与二极管D5的正极电连接，二极管D5的负极与蓄电池组的正极电连接，MOS管T1的栅极与三极管Q3的集电极电连接，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的基极与控制单元电连接；MOS管T2的源极与MOS管T1的源极电连接，MOS管T2的漏极与二极管D6的正极电连接，二极管D6的负极与安全栅电路的输入端电连接，MOS管T2的栅极与三极管Q4的集电极电连接，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的基极与控制单元的输出端电连接。
2.根据权利要求1所述分级启动式矿用本安电源，其特征在于：所述电压比较单元还设置有用于降低电压比较单元中的基准电压的比较参考电压设定电路，所述比较参考电压设定电路输入端与控制单元电连接，输出端与电压比较单元的输入端电连接。
3.根据权利要求2所述分级启动式矿用本安电源，其特征在于：所述DC/DC电源单元的输入端设置有启动电压设定电路和启动保护电路，所述启动保护电路的输入端接直流电源，启动保护电路的输出端与启动电压设定电路和DC/DC电源单元的电压设定端电连接，所述启动电压设定电路与DC/DC电源单元的输入端电连接。
4.根据权利要求3所述分级启动式矿用本安电源，其特征在于：所述电压比较单元的输入端设置有电流放大电路，所述电流放大电路用于获取蓄电池电流经放大后向电压比较单元输出。
5.根据权利要求4所述分级启动式矿用本安电源，其特征在于：所述蓄电池供电控制电路包括MOS管T3、MOS管T4、三极管Q5以及三极管Q6；
所述MOS管T3的源极与蓄电池组的正极电连接，MOS管T3的漏极与MOS管T4的漏极电连接，MOS管T4的源极与安全栅电路的输入端电连接，所述MOS管T3的栅极与三极管Q5的集电极电连接，MOS管T4的栅极与三极管Q6的集电极电连接，所述三极管Q5和三极管Q6的基极均与控制单元输出端电连接，所述三极管Q5和三极管Q6的发射极接地。
6.根据权利要求5所述分级启动式矿用本安电源，其特征在于：所述电压比较单元包括运放U1、第四电阻R4、第八电阻R8、第二电阻R2、第十三电阻R13、第一电容C1、第四二极管D4以及第十四电阻R14；
所述运放U1的同相端通过第四电阻R4与电流放大电路的输出端电连接，所述运放U1的反相端与第八电阻R8的一端连接，第八电阻R8的另一端作为基准电压输入端，所述运放U1的输出端与第四二极管D4的正极电连接，第四二极管D4的负极通过第十四电阻R14与DC/DC电源单元电连接；所述运放U1的输出端通过第一电容和第十三电阻R13串联后与反相端电连接，所述运放U1的反相端还通过第二电阻R2接地。
7.根据权利要求6所述分级启动式矿用本安电源，其特征在于：所述比较参考电压设定电路包括第三电阻R3、第七电阻R7、三级管Q1以及三极管Q2；
所述三极管Q2的基极与控制单元的输出端电连接，三极管Q2的集电极通过第七电阻R7与运放U1的反相端电连接，三极管Q1的基极与控制单元的输出端电连接，三极管Q1的集电极通过第三电阻R3与运放U1的反相端电连接，所述三极管Q1和三极管Q2的发射极接地。
8.根据权利要求7所述的分级启动式矿用本安电源，其特征在于：所述启动电压设定电路包括第五电阻R5、第六电阻R6以及第四电容C4，所述DC/DC电源单元的电源设定端通过第四电容C4接地，所述DC/DC电源单元的电源设定端通过第五电阻R5与启动保护电路输出电连接，所述DC/DC电源单元的电源设定端通过第六电阻R6接地。
9.根据权利要求8所述的分级启动式矿用本安电源，其特征在于：所述启动保护电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R1、第三二极管D3以及第二电容C2，所述第二电容为电解电容；
所述第一二极管D1的正极与作为本安电源的输入端接直流电源，第一二极管D1的负极通过第一电阻R1与第二电容C2的正极电连接，第二电容的负极接地，第二电容C2的正极与第三二极管D3的正极电连接，第三二极管D3的负极与DC/DC电源单元的输入端电连接，第一二极管D1的负极还与第二二极管D2的正极电连接，第二二极管D2的负极与DC/DC电源单元的输入端电连接。
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