典型输出本安型电源的特性及仿真分析.pdf
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典型输出本安型电源的特性及仿真分析.pdf
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典型输出本安型电源的特性及仿真分析李?
者(煤炭科学研究总院沈阳研究院,辽宁抚顺113122)摘?
要:
详细介绍了本安电源的不同保护原理的各自特性及使用Multisim电子电路仿真软件对输出本质安全型电源电路的各个部分进行分析。
Multisim可以进行直流工作点、交流信号、瞬态等多种分析,分析结果以数值或波形直观地显示出来,为电源制造商设计和检测机构分析评定电路提供了极大的方便。
关键词:
本质安全型;限流型;截流型;特性分析;模拟仿真中图分类号:
TD685?
文献标志码:
B?
文章编号:
1003-469X(2011)11-0148-03基金项目:
国家?
十一五科技支撑计划资助项目(2009BAK54B02)1?
概?
述本质安全电气设备防爆基本原理是:
通过限制电气设备电路的各种参数或采取保护措施来限制电路的火花放电能量和热能,使其在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃周围环境的爆炸性混合物,从而实现电气防爆。
本质安全型电气设备根据其保护等级和点燃符合性要求分为ia、ib和ic3个保护等级。
ia等级是指电路在正常工作、1个或2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1个计数故障时,不能点燃爆炸性混合物的电气设备。
ic等级是指电路在正常工作时,不能点燃爆炸性混合物的电气设备。
所以不同保护型式的保护电路的特性是使研究的重点!
1。
2?
本安电源组成、工作原理及特性根据GB3836.4的要求,本安系统用电源通常有两级独立的过流保护和两级独立的过压保护,为了电路的可靠工作可设置过热保护。
以常见的本安电源进行举例说明串联稳压、过流保护、过压保护电路的特征。
2.1?
串联稳压电路如图1,Q1为调整管,起到调整输出电压的作用,Q2为放大管作比较放大,R3、R4、R5为取样环节为稳压管作为基准电压。
输出电压的调节是通过调节电位器来实现,输出电压Uo=(UDZ/(R4+R5)(R3+R4+R5)。
图1?
串联稳压电路2.2?
过流保护电路在串联型稳压电路中,由于调整管与负载相串联,因此当过载时,特别是输出端短路时,调整管将要承受全部输入电压和流过很大的电流,致使调整管功耗剧增而烧毀。
所以需要对调整管加以保护。
保护电路通常有限流型保护电路和截流型保护电路。
2.2.1?
限流型保护电路当电源输出端过载或短路时,则输出电压下降而将输出电流限制在一定范围内。
一般是将输出电流限制在等于或稍大于额定电流值内。
该保护方式保护范围大,抗干扰性和抗负载电流的冲击性能好,比较适于向电容性负载电路供电,其电路一般较为简单,故障排除后电源容易恢复,但保护速度较慢,输出端短路时,调整管的损耗大,此时调整管的功率损耗为输入电压和短路电流的乘积,其值较截流型保护电路要大得多。
该种保护适用于功率不大的电源。
如图2,由取样电阻Rs和保护管Q2组成限流保护电路,当负载电流IoUon,Q2导通,Q2管的IQ2C对调整管Q1的基极电流IQ1b进行分流,使Io和调整管上电流受到限制。
保护特性,如图3。
图2?
限流保护电路图3?
限流保护特性2.2.2?
截流型保护电路当电源输出端过载或短路时,截流型保护电路立即动作,迅速切断电源,使输出电流为零或接近于零。
该种保护电路的保护动作速度快、效果好、调整管的功率损耗小,适用于输出功率较大、内阻要求小的电源;但电路比较复杂,抗干扰性和抗负载电流的冲击性较差,比较适用于向电阻性或电感性负载电路供电,电路调试比较麻烦,故障排除后电源也不易自动恢复,需要另外再加个恢复电路后方能自动恢复。
如图4,正常工作时,设定输出电流为I,Q2的图4?
截流保护电路基极电压为U1R2/(R1+R2),Ube2+Uo,输出电流增大时即流过电阻Rs的电流持续增大,当Q2的基极电压U1R2/(R1+R2)=Ube2+Uo时,Q2导通,减小输出电流。
?
假定增大到Ic时触发电路动作,则出现下面等式:
U1R2/(R1+R2)=Ube2+UoU1=Uo+IcRs整理得出:
Ic=!
R1Uo/R2Rs+!
Ube2(R1+R2)/RsR2限制电流(即短路电流):
Is=!
(R2+R3)/R3R1Ube2。
保护特性如图5。
图5?
截流保护特性2.3?
过电压保护电路如图6,当输出电压Uo正常时,由于R1、R2串联分压后UR2Dz的反向击穿电压,可控硅导通,Q1截止,电路断开,起到过压保护作用。
图6?
过压保护电路3?
本安电源仿真分析图7为本安仿真电路原理图。
3.1?
输出电压的稳压仿真分析输出电压发生变化的原因,一是电网电压波动;二是负载电阻变化。
而稳压是通过负载反馈来实现的,从表1和表2仿真结果可知,当电网电压波动使149分析探讨?
(2011-11)图7?
本安仿真电路表1?
负载电阻36?
时输入电压和输出电压Ui22V24V28V32VUo17.827V17.999V18.289V18.573V表2?
输入电压24V时负载电阻及输出电流和输出电压RL1k?
100?
51?
36?
Io18.14mA180.911mA353.772mA499.97mAUo18.137V18.091V18.042V17.999V输入电压Ui变化,或者负载变动使负载电阻改变经过串联稳压后,使电路依然保持输出电压基本不变,从而实现稳压的目的。
3.2?
过流保护电路仿真分析如图7,Q2为限流保护管,在串联型稳压电路过流时起到保护作用,R8为限流电阻,表3为防真结果。
表3?
输入电压24V时负载电阻及输出电流和输出电压RL36?
30?
20?
10?
0Io/mA499.97598.657738.025812.298872.374Uo17.999V17.96V14.761V8.123V0?
注:
当输出电流Io超过Iom时,开始限流,输出电压降低。
4?
限流和截流型2种电源从防爆性能方面比较
(1)限流型带电容能力强,即:
电压等级相同时,该保护型式的本安参数最大外部电容C0比截流型的电容C0大。
(2)截流型带电感能力强,即:
输出电流相同时,该保护型式的本安参数最大外部电感Lo比限流型的电感Lo大。
(3)输出电压等级相同时,截流型最大输出电流Io比限流型大。
(4)不同保护型式的输出容量与保护时间有关系,保护时间动作越快的,输出参数越大。
5?
结?
语由于本安系统用电源的外部电感、电容受本安输出的电压、电流的约束,在提高电压、电流输出的同时,降低了外部电容与电感参数,这是一个矛盾;所以需要根据本安电源用于不同系统或根据所配接负载设备是容性还是感性或阻性在设计电路时采用不同保护原理方式的电路。
Multisim作为著名的电路设计与仿真软件,它不需要真实电路环境的介入,具有仿真速度快、精度高、准确、形象等优点。
通过对实际本安电源电路的仿真分析,对于缩短设计周期、节省设计费用、提高设计质量具有重要意义。
参考文献:
!
1?
国家质量技术监督局.GB3836.4-2010&爆炸性环境第4部分由本质安全型?
i保护的设备!
S.北京:
中国标准出版社,2010.?
作者简介:
李?
者(1978-),女,工程师,2002年毕业于黑龙江科技学院,现工作于煤炭科学研究总院沈阳研究院。
(收稿日期:
2011-08-15;责任编辑:
李力欣)150(第42卷第11期)?
分析探讨
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- 关 键 词:
- 典型 输出 电源 特性 仿真 分析