專利名稱：電容短路火花能量釋放器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于一種電子產(chǎn)品，它主要用于煤礦、石化等危險性環(huán)境，確切地說是一種電源設(shè)備或其他電子產(chǎn)品中的電容短路火花能量釋放器。
背景技術(shù)：
電容屬于儲能元件，其儲存的能量與其電壓的平方呈正比。如果將具有一定電壓的電容元件短路，會在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生較大的火花能量。而如果具有電容元件的電路或系統(tǒng)，如直流電源等應(yīng)用于存在易燃、易爆氣體的危險型環(huán)境，當(dāng)電容上儲存的能量大到一定程度時，因短路產(chǎn)生的火花能量將會引爆危險性氣體或它們的混合物。因此，為了電路或系統(tǒng)和危險型環(huán)境的安全，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對電容的大小及其所對應(yīng)的電壓作出了嚴(yán)格的規(guī)定，以使電容因故出現(xiàn)短路時，產(chǎn)生的火花能量足夠的小。電源是煤礦、石化等危險性環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)電子設(shè)備的重要組成部分，且是電子設(shè)備中功率較大的部件，其輸出端通常包含有容量較大的濾波電容，電源的輸出電壓也較高(如18V、24V等)，因此，一旦出現(xiàn)短路等故障，其產(chǎn)生的電火花必然會引爆易燃、易爆氣體，給人民的生命安全和國家財(cái)產(chǎn)損失帶來嚴(yán)重隱患，顯然是不能滿足本質(zhì)安全要求的。因此，為了使含有容量較大電容的電源或電子設(shè)備安全地應(yīng)用于危險型環(huán)境中，就必須串接一些能量限制電路或采取一些能量限制或釋放手段，將故障火花能量限制在足夠小的范圍內(nèi)。目前解決問題的辦法是①在電容的輸出端串接限流電阻來限制短路火花放電的能量。缺點(diǎn)是由于增加了電阻，電源的效率降低，不利于實(shí)現(xiàn)大功率。②在輸出端增加一個穩(wěn)壓限流環(huán)節(jié)，限制電容器的短路電流。缺點(diǎn)是降低轉(zhuǎn)換效率，并且必須采取多重化措施以提高可靠性。③采取增頻法提高頻率，減小電源的輸出濾波電容，從而減小輸出短路放電火花能量，但是電路結(jié)構(gòu)和控制方法比較復(fù)雜。另外，目前采用的電源為了防爆，在電源體外設(shè)有隔爆外殼，它不但增加了設(shè)備重量，而且散熱性差，同時也加大了設(shè)備成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國的各型煤礦約有2.6萬個，其中大、中型煤礦3000多個，關(guān)鍵問題是監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)不健全，存在很多隱患，所以設(shè)備改進(jìn)迫在眉睫。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種電容短路火花能量釋放器，將其并接在濾波電容的兩端。當(dāng)正常工作時，能量釋放電路斷開，只有很小的漏電流流過該電路，損耗甚微；而當(dāng)輸出出現(xiàn)短路故障時，能量釋放電路開通，通態(tài)電阻接近于零，電容的能量被很快釋放掉，使故障短路火花能量急劇減小，從而將故障火花能量限制在足夠小的范圍內(nèi)。
本實(shí)用新型是以下列技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)該電容短路火花能量釋放器由上電屏蔽電路、短路檢測電路和能量釋放電路三部分依次連接組成。也就是說上電屏蔽電路連接到短路檢測電路，短路檢測電路連接到能量釋放電路，其中的電容能量釋放電路是由驅(qū)動電路和能量釋放電路構(gòu)成，或者是由能量釋放電路自身構(gòu)成。所述的電屏蔽電路是由電容C1、電阻R1串接后與二極管D1的陰極連接而成。所述的短路檢測電路主要由取樣電阻R2和R3、在電阻R2與電阻R3的連接點(diǎn)接一基準(zhǔn)電壓源U1構(gòu)成；或者由取樣電阻R2和R3，穩(wěn)壓二極管ZD1，在電阻R2與電阻R3連接點(diǎn)接一運(yùn)放或比較器電路U1構(gòu)成；或者由取樣電阻R2和R3，穩(wěn)壓二極管ZD1及由三極管VT3和VT4組成的兩極放大電路所構(gòu)成。所述電容能量釋放電路是由開關(guān)管VT2及其柵極上的下拉或延時電阻R6、漏極上的限流電阻Rd構(gòu)成。或者主要由二極管D2、功率放大三極管VT1構(gòu)成的驅(qū)動電路及由開關(guān)管VT2、限流電阻Rd、下拉或延時電阻R6構(gòu)成的能量釋放電路組成。
本實(shí)用新型有效地減小了電容的短路火花故障能量；確保電壓較高、且包含有大容量電容的電子設(shè)備能夠安全地應(yīng)用于危險性環(huán)境；使本質(zhì)安全型電源的輸出功率可以做得更大，且不會降低電源的效率，電路結(jié)構(gòu)及控制方法更簡單；在電源體外不設(shè)隔爆外殼，所以散熱性好，設(shè)備重量沒有增加，同時降低了設(shè)備成本。


圖1是電容短路火花能量釋放器原理框圖。
圖2是電容短路火花能量釋放器實(shí)施例一工作原理圖。
圖3是電容短路火花能量釋放器實(shí)施例二工作原理圖。
圖4是電容短路火花能量釋放器實(shí)施例三工作原理圖。
圖5是電容短路火花能量釋放器實(shí)施例四工作原理圖。
圖6是電容短路火花能量釋放器實(shí)施例五工作原理圖。
圖7是電容短路火花能量釋放器實(shí)施例六工作原理圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)及其工作原理作具體詳細(xì)的說明圖1所示，電容短路火花能量釋放器，它由上電屏蔽電路1、短路檢測電路2及電容能量釋放電路3依次連接組成，也就是說上電屏蔽電路連接到短路檢測電路，短路檢測電路連接到電容能量釋放電路，所述的電容能量釋放電路是由開關(guān)驅(qū)動電路3-1和能量釋放電路3-2構(gòu)成，或者是由能量釋放電路3-1自身構(gòu)成。實(shí)際應(yīng)用時本實(shí)用新型電路的兩個輸出端子A和B分別接電容C0電壓的“+”和“-”端，(本設(shè)計(jì)不包括電容C0)。其工作原理為，短路檢測電路通過檢測電流或電容兩端的電壓，判斷短路故障是否發(fā)生。當(dāng)檢測到電路中的電流超過某一設(shè)定值或電壓降低到低于某一設(shè)定值時，判定發(fā)生短路；由短路檢測電路發(fā)出信號，使能量釋放電路的功率開關(guān)管快速導(dǎo)通，電容通過限流電阻和功率開關(guān)管釋放能量，延時一段時間(電容兩端的電壓放電到接近于零，即電容能量已釋放完畢)后，開關(guān)關(guān)斷，電路恢復(fù)到原來的狀態(tài)。因此，短路故障發(fā)生時，電容的能量將主要通過能量釋放電路釋放，而因輸出端短路故障而產(chǎn)生的火花能量達(dá)到限制。上電屏蔽電路的作用是保證電路能正常起動。
圖2給出本實(shí)用新型的實(shí)施例一，實(shí)際應(yīng)用時本實(shí)用新型電路的兩個輸出端子A和B分別接電容C0的電壓的“+”和“-”端，本設(shè)計(jì)不包括虛線框內(nèi)的部分。其中上電屏蔽電路1是由電容C1、電阻R1串接后與二極管D1陰極連接而成；短路檢測電路2主要由取樣電阻R2和R3、在電阻R2與電阻R3連接點(diǎn)接基準(zhǔn)電壓源U1構(gòu)成；電容能量釋放電路3是由二極管D2、下拉電阻R5、下拉(或延時)電阻R6、電阻Rc和三極管VT1構(gòu)成的功率開關(guān)驅(qū)動電路及由限流電阻Rd和開關(guān)管VT2構(gòu)成的能量釋放電路組成。其中開關(guān)管VT2可采用三極管、MOS管或IGBT等其它可控開關(guān)管。工作原理是電阻R2和R3是電容電壓取樣電阻，正常工作時，輸出電壓在取樣電阻R3上的分壓大于2.5V，使U1一直維持導(dǎo)通，U1的陰極2端輸出為低電平，開關(guān)管VT2截止，整個電路處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)有短路故障發(fā)生時，一旦在電阻R3上的分壓小于2.5V，U1的2端就變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管VT2導(dǎo)通，整個電路處于低阻導(dǎo)通狀態(tài)，電容C0通過限流電阻Rd和開關(guān)管VT2快速釋放能量。在上電的開始階段，電壓通過限流電阻R1、電容C1直接加到U1的3端(R1＜＜R2，C1相當(dāng)于短路)，使得在開始一段時間U1的2腳為低電平，開關(guān)管VT2截止，保證電路的正常啟動。而當(dāng)有短路故障發(fā)生時，開關(guān)管VT2導(dǎo)通使電容C1通過二極管D1快速放電，為再次啟動作好準(zhǔn)備。
圖3給出了本實(shí)用新型的實(shí)施例2，它與圖2相比，短路檢測電路主要由取樣電阻R2和R3，穩(wěn)壓二極管ZD1，運(yùn)算放大器或比較器電路U1(LM358或其它型號)及電阻R4、Rz構(gòu)成；除此之外，其余部分與圖2相同。其工作原理為電阻R2和R3是電容C0分壓取樣電阻，正常工作時，輸出電壓在電阻R3上的分壓大于穩(wěn)壓二極管ZD1的電壓，使運(yùn)放或比較器U1的輸出一直為低電平，開關(guān)管VT2(IRF540)截止，整個電路處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)有短路故障發(fā)生時，一旦在電阻R3上的分壓小于穩(wěn)壓二極管ZD1的電壓，運(yùn)放或比較器U1的輸出端就變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管VT2導(dǎo)通，整個電路處于低阻導(dǎo)通狀態(tài)，電容C0通過電阻Rd和開關(guān)管VT2快速釋放能量。在上電的開始階段，電壓通過電阻R1、電容C1直接加到U1的反相端(R1＜＜R2，C1相當(dāng)于短路)，使得在開始一段時間U1的輸出為低電平，開關(guān)管VT2截止，保證電路的正常啟動。而當(dāng)有短路故障發(fā)生時，VT2導(dǎo)通使電容C1通過二極管D1快速放電，為再次啟動作好準(zhǔn)備。
圖4給出了本實(shí)用新型的實(shí)施例3，它也是圖2的一種變化形式，與圖2相比，所述電容能量釋放電路3是由開關(guān)管VT2(IRF540)及其柵極上的下拉或延時電阻R6、漏極上的限流電阻Rd構(gòu)成。也就是說本實(shí)用新型的整個電路中取掉了開關(guān)管驅(qū)動電路3-1，直接由基準(zhǔn)電壓源U1(TL431)的陰極通過二極管D2接到開關(guān)管VT2的柵極，其它電路與圖2相應(yīng)部分相同。其工作原理為正常工作時，輸出電壓在電阻R3上的分壓大于2.5V，使基準(zhǔn)電壓源U1一直維持導(dǎo)通，U1的2端輸出為低電平，開關(guān)管VT2截止，整個電路處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)有短路故障發(fā)生時，一旦在電阻R3上的分壓小于2.5V，U1的2端就變?yōu)楦唠娖剑琕T2導(dǎo)通，整個電路處于低阻導(dǎo)通狀態(tài)，電容C0通過電阻Rd和VT2快速釋放能量。
圖5給出了本實(shí)用新型的實(shí)施例4，它實(shí)際上是圖3的一種變化形式，取掉了開關(guān)管驅(qū)動電路，直接由運(yùn)放或比較器U1(LM358或其它型號)的輸出通過限流電阻R4接到功率開關(guān)管VT2(IRF540)的柵極，其它電路與圖3中相應(yīng)部分相同。其工作原理為電阻R2和R3是電容電壓取樣電阻，正常工作時，輸出電壓在電阻R3上的分壓大于穩(wěn)壓二極管ZD1的電壓，使運(yùn)放或比較器U1的輸出一直為低電平，開關(guān)管VT2截止。整個電路處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)有短路故障發(fā)生時，一旦在電阻R3上的分壓小于穩(wěn)壓二極管ZD1的電壓，運(yùn)放或比較器U1的輸出端就變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管VT2導(dǎo)通，整個電路處于低阻導(dǎo)通狀態(tài)，電容C0通過電阻Rd和開關(guān)管VT2快速釋放能量。
圖6給出了本實(shí)用新型的實(shí)施例5，實(shí)際上也是圖2的一種變化形式，它與圖2相比，短路檢測電路主要由電阻R2、R3，穩(wěn)壓二極管ZD1及三極管VT3和VT4組成的兩極放大電路所構(gòu)成，其他部分電路與圖2相應(yīng)部分相同。短路檢測電路的連接形式是電阻R2與R3相接的連接點(diǎn)接到三極管VT3的基極，電阻R3與穩(wěn)壓二極管ZD1串聯(lián)，VT3的發(fā)射極接電源的正端，VT3的集電極通過電阻R4接到三極管VT4的基極，VT4的集電極分別接三極管VT1的基極和通過電阻R8接電源正端，二極管D1的陰極通過電阻R9接到VT4的基極。其原理為正常工作時，電容C0的電壓減去穩(wěn)壓二極管ZD1的電壓仍大于三極管VT3的發(fā)射結(jié)壓降，則三極管VT3和VT4導(dǎo)通、三極管VT1和開關(guān)管VT2(IRF540)截止，整個電路處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)有短路故障發(fā)生時，一旦電容C0的電壓減去穩(wěn)壓二極管ZD1的電壓小于三極管VT3的發(fā)射結(jié)壓降，則三極管VT3和VT4截止、三極管VT1和開關(guān)管VT2導(dǎo)通，整個電路處于低阻導(dǎo)通狀態(tài)，電容C0通過限流電阻Rd和開關(guān)管VT2快速釋放能量。在上電的開始階段，電壓通過電容C1、電阻R1和R9直接加到VT4的基極(C1相當(dāng)于短路)，使得在開始一段時間三極管VT4導(dǎo)通、其集電極為低電平，三極管VT1和VT2截止，保證電路的正常啟動。而當(dāng)有短路故障發(fā)生時，開關(guān)管VT2導(dǎo)通，使電容C1通過二極管D1快速放電，為再次啟動作好準(zhǔn)備。
圖7給出了本實(shí)用新型的實(shí)施例6，它是圖6的一種變化形式，與圖6相比所述電容能量釋放電路3是由開關(guān)管VT2(IRF540)及其柵極上的下拉或延時電阻R6、漏極上的限流電阻Rd構(gòu)成。即電容能量釋放電路去掉了驅(qū)動電路部分，直接由放大三極管VT4的集電極接到開關(guān)管VT2的柵極，其他部分電路與圖6的相應(yīng)部分相同。其工作原理為正常工作時，電容C0的電壓減去穩(wěn)壓二極管ZD1的電壓仍大于三極管VT3的發(fā)射結(jié)壓降，則放大三極管VT3和VT4導(dǎo)通、開關(guān)管VT2截止，整個電路處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)有短路故障發(fā)生時，一旦電容C0的電壓減去ZD1的電壓小于三極管VT3的發(fā)射結(jié)壓降，則VT3和VT4截止、開關(guān)管VT2導(dǎo)通，整個電路處于低阻導(dǎo)通狀態(tài)，電容C0通過限流電阻Rd和VT2快速釋放能量。在上電的開始階段，電壓通過電容C1、電阻R1和R9直接加到VT4的基極(C1相當(dāng)于短路)，使得在開始一段時間VT4導(dǎo)通、其集電極為低電平，VT2截止，保證電路的正常啟動。而當(dāng)有短路故障發(fā)生時，VT2導(dǎo)通使C1通過二極管D1快速放電，為再次啟動作好準(zhǔn)備。
以上所述的圖中，電阻Rc或Rd均可以直接短路，而電路的工作原理不變。電容短路火花能量釋放器除了以上列出的實(shí)施方式外，能實(shí)現(xiàn)電容短路火花能量釋放器的方案還有很多?？紤]到電路檢測靈敏度、放電的快速程度及電路工作的安全可靠性等，列舉的實(shí)施例一電路是較佳方案。
權(quán)利要求1.一種電容短路火花能量釋放器，其特征是它由上電屏蔽電路(1)、短路檢測電路(2)及電容能量釋放電路(3)依次連接組成，其中所述的電容能量釋放電路是由開關(guān)驅(qū)動電路(3-1)和能量釋放電路(3-2)構(gòu)成，或者是由能量釋放電路(3-1)自身構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容短路火花能量釋放器，其特征是上電屏蔽電路(1)是由電容C1、電阻R1串接后與二極管D1負(fù)極連接而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容短路火花能量釋放器，其特征是短路檢測電路(2)主要由取樣電阻R2和R3、在電阻R2與電阻R3的連接點(diǎn)接一基準(zhǔn)電壓源U1構(gòu)成；或者由取樣電阻R2和R3，穩(wěn)壓二極管ZD1，在電阻R2與電阻R3連接點(diǎn)接一運(yùn)放或比較器電路U1構(gòu)成；或者由電阻R2和R3，穩(wěn)壓二極管ZD1及三極管VT3和VT4兩極放大電路所構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容短路火花能量釋放器，其特征是所述電容能量釋放電路(3)是由開關(guān)管VT2及其柵極上的下拉或延時電阻R6、漏極上的限流電阻Rd構(gòu)成，其中限流電阻Rd可以直接短路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容短路火花能量釋放器，其特征是所述的電容能量釋放電路(3)主要由二極管D2、三極管VT1構(gòu)成的功率開關(guān)驅(qū)動電路及由開關(guān)管VT2、限流電阻Rd、下拉或延時電阻R6構(gòu)成的能量釋放電路組成，其中限流電阻Rd可以直接短路。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種電容短路火花能量釋放器，它主要由上電屏蔽電路1、短路檢測電路2、電容能量釋放電路3依次連接組成。所述的電容能量釋放電路是由驅(qū)動電路3－1和能量釋放電路3－2構(gòu)成，或者是由能量釋放電路3－1自身構(gòu)成。該電容短路火花能量釋放器主要用于煤礦、石化等危險性環(huán)境的監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)中，有效地減小了電容的短路火花故障能量；確保電壓較高、且包含有大容量電容的電子設(shè)備能夠安全地應(yīng)用于危險性環(huán)境；使本質(zhì)安全型或防爆電源的輸出功率可以做得更大，且不會降低電源的效率，電路結(jié)構(gòu)及控制方法更簡單。
文檔編號H02H9/00GK2791993SQ20052007850
公開日2006年6月28日 申請日期2005年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月25日
發(fā)明者劉樹林, 劉健, 楊銀玲, 賴華 申請人:劉樹林