Multisim辅助的乳化液泵站智能控制系统本安电源双重保护电路设计

张霜玉

（天地科技股份有限公司，中煤科工集团国际工程有限公司，北京 100013）

0 引言

乳化液泵站是井工煤矿综合机械化开采工作面支护设备必不可少的动力源，随着综采工作面自动化程度的提高，乳化液泵站采用智能系统控制也逐渐应用推广[1]。在研发乳化液泵站智能控制系统的过程中，电源设计是其中重要的一环。该电源不仅要能够满足系统内部各功能单元的供电需求，还要满足国家标准GB3836.4-2010 的规定。国家标准GB3836.4-2010 规定了煤矿井下环境使用的设备必须符合本质安全型I类设备的要求[2]，即通过采用稳压、过压、过流等保护电路，保证电源不因热效应、短路或者过大的电火花而引起煤矿井下气体环境爆炸（本安电源）。

Multisim 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的在Windows系统下运行的电路板级模拟/数字电路仿真软件，具有丰富的仿真分析能力。因此，使用Multisim软件辅助本次本安电源电路的设计。

1 本安电源电路设计的思路及要求

总体思路：首先，获取乳化液泵站智能控制系统中控制器、传感器及其他相关外围设备[3]的工作电压及工作电流信息，据此提出设计目标要求，即确定本安电源额定输入输出电压和电流；其次，合理布局电路功能结构，通过理论计算确定电路各组成部分使用的具体电器元件；再用软件对电路的输出参数和特性进行仿真，根据分析结果调整电路设计，并根据具体需要决定是否采用多重过压过流保护；最终，直到再次仿真得到满意的性能结果，初步完成本安电源电路设计。

设计目标及要求：为与矿井供电电压对接并方便地面检修或实验室测试，设计电源输入电压为660 VAC与220 VAC。结合乳化液泵站智能控制系统工作电压参数，设计输出电压为12 VDC，最大输出电流为800 mA。对于Ⅰ类设备，按1.5倍安全系数设计，即最小点燃电流应为电路限定最大输出电流的1.5 倍[2]。GB3836.4-2010提供了电阻性电路在电源电压为12 V时对应的最小点燃电流，大于3 000 mA[2]。因此，限流电路理论上限定最大输出电流为2 000 mA。为获得优于国家标准要求性能的电源，设计过流保护目标动作电流小于1 000 mA，过压保护目标动作电压小于13 V。

2 本安电源电路设计

为达到前节所述目标参数，本安电源应设计由以下几个部分连接组成：第一，将220 V 和660 V 交流电转换为24 V 的变压器；第二，将交流电变为直流电的整流桥；第三，保证电压稳定的两级稳压电路；第四，为保证电路安全运行、达到井下防爆要求的过压、过流保护电路。另外，还应避免过压或过流保护电路出现故障后，整个电源出现打电火花、自燃等不可控故障。为此，设计了双重过压保护和过流保护电路，并且要求每一路保护电路均能独自产生保护作用，即当其中一路过压或过流保护电路失效后，令一路依然能够起到保护作用，且要求其保护效果基本等同于两组保护电路同时工作时的保护效果。

该乳化液泵站智能控制系统电源电路输入的220 V或660 V交流电压，经变压器变压后再经整流桥得到24 V 直流电压，作为稳压电路输入电压，即UIN=24 V。电路输出电压12 V由稳压电路设定，在满足系统功率要求的前提下，设计过压过流动作保护值尽量接近电源额定输出值，以此提高电路的安全性。即当电压超过13 V或电流超过1 000 mA时，过压或过流保护电路起作用，保证输出电压或电流不超过该值。

下面着重介绍一下两级稳压电路和过压过流保护电路的设计。

2.1 稳压电路

第一、二级稳压电路均采用芯片LM317。LM317是NI 公司生产的三端可调正稳压器集成电路。其电气特性为：输入电压范围宽，最高输入电压为40 V，输出可调电压范围1.3 V～37 V，输入输出压差大于3 V。

为保证第一、二级稳压电路LM317输入输出压差均大于3 V，可得第一级稳压电路输出电压须不小于15 V且不大于21 V，即

图1 LM317 典型应用电路

LM317 典型应用电路如图2，其中过流保护检测电路部分采用电阻分压，根据LM317输出电压计算公式[4]

选择R1=240 Ω，计算得2 640 Ω≤R2≤3 792 Ω，选用R2=5 kΩ 精度为5%的电位器，调节获得R2阻值为3 250 Ω，因此实际可获得的输出电压为UO1=18.2 V，符合要求。

第二级稳压电路设计计算过程与第一级同理。该部分输入电压为17.1 V，输出电压为12 V。

2.2 过压保护电路

图2 第一级过压保护电路

过压保护电路如图2。电压检测部分由PNP型晶体管2N3906、18V稳压二极管IN4746 及分压限流电阻构成，由稳压二极管特性可知，当输出电压达到设计上限时，稳压二极管两端存在18 V分压，电阻R16将产生1 V 分压，即U分1=UO1-U稳=1 V，此时要求晶体管2N3906导通，即晶体管达到饱和状态。

集电极电流：

为便于计算，取R17=19 kΩ，得IC2=1 mA；

集电极饱和时的基极电流：

式（3）中取2N3906、2N2904的放大系数[4]βˉ=100;

又

对于锗管（PNP），UBE=-0.3 V，代入式（4）后得：R15+R16=70 kΩ，取R15=10 kΩ，R16=60.4 kΩ；当Q2导通时，电阻R17 分压接近UO1，即U分2≈19 V，当Q4 饱和时，R14≈=24 kΩ；Q4 饱和后阻抗近似为0，由公式（1）得：，此时输出电压也接近0 V，从而起到过压保护作用。

第二级过压保护电路采用与第一级相同的电路结构和工作原理。

2.3 过流保护电路

图3 第一级过流保护

过流保护电路采用电阻分压方式检测回路电流，其工作原理如下：

如果主回路因负载短路或者负载阻抗小于一定值而出现电流增大的情况，会使串接在回路中的检测电阻分压增大，从而使晶体管基极-发射极之间的压降增大。由于晶体三极管具有电流放大特性，IC=βˉIB，IC随之显著增大，电阻R2的分压Ui1也因此增大。由比较运算放大器的特性可知，当Ui1大于稳压二极管的分压Ui2时，比较运算放大器输出高电平，P 沟道场效应管Q1截止，电源不再对负载输出电压；当R2的分压Ui1小于稳压二极管的分压Ui2时，比较运算放大器输出低电平，P 沟道场效应管Q1 导通，电源正常供电。根据以上原理，设计过流保护电路如图3。

由于过流保护电路采用三极管放大电路对主回路电流变化进行检测，因此对各元器件参数要求比较严格。但由于制造工艺的分散性，即使同一型号的晶体管，放大系数βˉ值也会有很大差别，对于2N3906的放大系数，若先求得基极电流IB，再由IC=βˉIB求得IC，则选择不同的βˉ会最大会导致10 倍的计算结果的偏差，严重影响计算结果。因此，可先通过图4所示三极管放大电路测出主回路电流I=800 mA 和I=1 000 mA时，R2两端的压降，即比较运算放大器同向输入电压Ui1，并据此设计比较运算放大器反向输入端的参考电压。在实际应用中，可以通过调节R5值来改变R5的分压大小，以适应三极管2N3906的不同βˉ值。

图4 过流检测电路输出电压测定电路

从图4（a）、（b）的测试结果可以得出，当主回路电流为795 mA 时，Ui1=354 mV；当主回路电流为1 014 mA 时，Ui1=9.35 V；因此理论上可以选择稳压值在354 mV～9.35 V之间的任意稳压二极管。

第二级过流保护电路采用与第一级相同的电路结构和工作原理。

3 电路仿真及改进

3.1 过压保护电路的仿真

使用Multisim 软件对过压保护电路仿真，在软件中按第2节计算结果设定各电路元件参数。测得过压保护动作发生后，输出电压被稳定在18.5V，达到设计要求。

3.2 过流保护电路的仿真

在过流保护电路的仿真过程中，电路供电时会出现Ui1瞬间增大，如图5（a）所示，瞬时电压已超过稳定输出电压的10 倍。若瞬时电压超过过流保护目标动作值，则会错误地引起过流保护电路产生保护动作。

图5 滤波电容对电路启动电压的影响

为减小此干扰，采用了与R2并联一个22 nF 的滤波电容的方法。图5（b）为接入滤波电容后的供电电压变化曲线。可见供电电压最大值已基本与稳定输出电压一致了。

4 结语

本文介绍了乳化液泵站智能控制系统电源的设计过程，在Multisim软件的辅助下，按照国家标准对本质安全电路的要求完成了其稳压电路和过压、过流保护电路的设计。其中为使保护电路不因自身故障而出现整个电源的不可控故障，特别设计了双重过压、过流保护电路。最后使用Multisim 软件对电源电路输出电压、电流效果进行仿真后发现供电电压会出现瞬间增大现象，根据该现象对电路进行了局部修改，修改后供电电压得到了明显改善，输出了符合乳化液泵站智能控制系统中控制器和各传感器工作要求的直流电压。