Способ искробезопасного электропитания

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ ПУБЛИК 5114 Е 21 К ИЗ 0 БЕКтени научой гео- Науч- созда- и горэлект еличе юй ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Украинский филиал Всесоюзногоно-исследовательского института горнмеханики и маркшейдерского дела ино-производственное объединение понию и выпуску средств автоматизациных машин Автоматгормаш(57) Изобретение относится к горнойротехнике. Цель изобретения - ув ние мощности, постоянно потребляемои нагрузкой. Передают энергию по линии связи при искробезопасном значении тока. Передаваемую энергию накапливают в накопителе (Н) при отключенной нагрузке и отключении энергии, выделяемой в разряд со стороны источника питания и Н при коротком замыкании цепи. Подключают маломощный источник с искробезопасным значением тока, определяемым по характеристикам искробезопасности, к Н. Контролируют величину напряжения на выходе источника питания, а при достижении им заданной величины увеличивают мощность источника путем уменьшения его сопротивления К до величины, определяемой из соотношения К ) ) (Е - (./1, где Е - ЭДС источника питания; 11 - заданная величина выходного нагряжения; 1 - значение тока, определяемое по характеристикам искробезопасности для безреактивной цепи при напряжении (Е - Ь). Затем подключают нагрузку к накопителю. 3 ил.Е - 1)К) 1Изобретение относится к горной электротехнике и может быть использовано при создании искробезопасных систем питания энергоемкого электрооборудования, работающего во взрывоопасной атмосфере.Целью изобретения является увеличение искробезопасной мощности, постоянно потребляемой нагрузкой.Сущность изобретения заключается в передаче энергии по линиям связи при искробезопасном значении тока, накоплении передаваемой энергии в накопителе при отключенной нагрузке и ограничении энергии, выделяемой в разряд со стороны источника питания и накопителя с нагрузкой при коротком замыкании цепи, подключении маломощного источника с искробезопасным значением тока, определяемым по ха. рактеристикам искробезопасности, к накопителю, контроле величины напряжения на выходе источника, а при достижении им заданной величины увеличения мощности источника путем уменьшения его сопротивления до величины, определяемой из соот- ношения где Е - ЭДС источника питания;11 - заданная величина выходного напряжения;1 -- значение тока, определяемое по ха.рактеристикам искробезопасностидля безреактивной цепи при напряжении (Е - 11),в последующем подключении нагрузки к накоп ител ю.На фиг,. 1 показана функциональнаясхема устройства, реализующего способ; нафиг. 2 - принципиальная схема источника питания; на фиг, 3 - принципиальные схемы накопителя и блока подключения нагрузки.Устройство, реализующее способ, состоитиз источника 1 питания, накопителя 2, блока 3 подключения нагрузки и нагрузки 4.Источник питания (фиг. 2) содержит источник 5 электроэнергии и схему 6 управления, состоящую из силового транзистора 7 с резистором 8 и стабилитроном 9в базовой цепи. Резистор 1 О шунтирует переход коллектор в эмитт транзистора 7.Резистор 11 и стабилитрон 12 представляютсовместно с транзистором 7 ограничительтока. Кроме того, источник питания содержит схему контроля напряжения на сопротивлении источника питания, состоящую изтранзисторов 13 и 14, стабилитронов 15 и 16,а также резисторов 17 - 20,Накопитель 2 (фиг. 3) состоит из включенных последовательно конденсатора 21и измерительного резистора 22 (величинасопротивления порядка 1 - 5 Ом).Блок 3 подключения нагрузки (фиг. 3)содержит силовой транзистор 23 с резисто 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 2ром 24 и стабилитроном 25 в базовой цепи, триггер на транзисторах 26 и 27,резисторах 28 - 33 и конденсаторе 34, а также узел контроля напряжения на конденсаторе 21 (накопителе) и узел контроля напряжения на резисторе 22. Узел контроля напряжения на конденсаторе 21 состоит из транзисторов 35 - 37, стабилитронов 38 и 39 и резисторов 40 - 47. Входом узла контроля напряжения на конденсаторе 21 является база транзистора 35, соединенная через резистор 46 с положительным полюсом конденсатора 21, Выходом узла контроля напряжения на конденсаторе 21 является коллектор транзистора 37, соединенный через резистор 47 с базой транзистора 27, являющейся одним из входов триггера.Узел контроля напряжения на резисторе 22 состоит из транзисторов 48 и 49, стабилитронов 50 и 51, диода 52, резисторов 53 - 58 и конденсатора 59, Входом узла является база транзистора 48, соединенная с общей точкой конденсатора 21 и резистора 22 через резистор 57, а выходом - коллектор транзистора 49, соеди.ненный через КС-цепочку из резистора 5 с и емкости 59 с базой транзистора 26 другим входом триггера. Резистор 58 служит для разряда емкости 59 и зашунтирован диодом 52. В случае индуктивного характера нагрузки последняя шунтируется диодом.Напряжение на выходе источника питания определяется как разность между ЭДС источника питания и падением напряжения на сопротивлении источника. Последнее при питании от вторичной обмотки трансформатора или от аккумуляторной батареи в основном определяется сопротивлением резис. торов 10 и 11 и транзистора 7. Поэтому. зная ЭДС источника питания и контролируя напряжение на сопротивлении источника питания, получают напряжение на выходе источника, Контроль выходного напряжения целесообразно проводить таким образом, а не прямым измерением, так как при одинаковой точности измерения достигается более высокая точность контроля выходного напряжения. Падение напряжения на сопротивлении источника питания в момент его снижения не превышает 3 - 5 В, и на эту величину отличаются ЭДС источника и его выходное напряжение, значение которых в основном находится в пределах 20 - 60 В. То есть, измеряемая величина составляет порядка 10 О 4 от контролируемого напряжения на выходе, Соответственно снижается и относительная погрешность контроля выходного напряжения источника.Устройство работает следующим образом.До подключения нагрузки (с накопителем и блоком подключения нагрузки) транзистор 7 открыт, так как по цепи резистор 8 - стабилитрон 9 протекает его базовый ток, а транзистор 14 - закрыт, 141151640 45 50 55 3так как сумма падения напряжения на резисторе 11 и напряжения на коллекторе - эмиттере транзистора 7 ниже напряжения стабилизации стабилитрона 16, а, следовательно, базовый ток транзистора 14 не протекает, Сопротивление резистора 11 выбирается из условия К ) (Е - 3)/1. Транзистор 13 открыт, так как по цепи резистор 8 - резистор 19 - стабилитрон 15 обеспечивается протекание его базового тока. Блок подключения нагрузки и сама нагрузка обесточены, накопительный конденсатор 21 разряжен.При подсоединении к источнику нагрузки с накопителем и ее блоком подключения в первоначальный момент происходит скачкообразное увеличение тока источника по цепи заряда емкости 21 через резистор 22 малой величины. Подключение разряженного конденсатора 21 к выходу источника питания близко к короткому замыканию его выходных зажимов. При этом сумма падения напряжения на резисторе 11 и на базаэмиттерном переходе транзистора 7 превышает напряжение стабилизации стабилитрона 12, он открывается, уменьшая базовый ток транзистора 7. Это приводит к прикрыванию последнего и увеличению падения напряжения между его коллектором и эмиттером (срабатывает ограничитель тока), а, следовательно, и на стабилитроне 16. При достижении этим напряжением величины суммы напряжения стабилизации стабилитрона 16 и падения напряжения на базаэмиттерном переходе транзистора 14 последний открывается, шунтируя базовые цепи транзисторов 7 и 13. Напряжение стабилизации стабилитронов 9, 15 и 16 выбирается из условия 1 ст 6 (ст, ( .)ст 9, Поэтому транзисторы 7 и 13 запираются, причем закрывание транзистора 7 приводит к увеличению сопротивления источника до значения, равного сумме сопротивлений резисторов 10 и 11. Закрывание транзистора 13 приводит (через резистор 18) к более быстрому и полному открыванию транзистора 14, После увеличения сопротивления источника происходит заряд накопительного конденсатора 21 через резисторы 10, 11 и 22. Напряжение стабилизации стабилитрона 50 выбирается большим, чем напряжение на резисторе 22 при заряде накопительного конденсатора 21 в этом режиме. Поэтому транс зистор 48 закрыт, транзистор 49 открыт и открывающий импульс на базу транзистора 26 не поступает. При напряжении на конденсаторе 21 ниже напряжения стабилизации стабилитрона 38, которое выбирается из условия 0(1 ст( 1, транзистор 35 также закрыт, транзистор 36 открыт, а транзистор 37 закрыт и напряжение с его коллектора через резистор 47 подается на базу транзистора 27. Поэтому триггер находится в таком состоянии, когда транзистор 27 открыт, а транзистор 26 закрыт, Транзистор 23 находится в закрытом состоянии и нагруз 5 10 15 20 25 30 35 4ка отключена. Блок контроля напряжения на конденсаторе 21 обеспечивает отключение нагрузки при малом напряжении на накопителе. При этом сопротивление нагрузки не шунтирует накопитель и последний заряжается через высокое сопротивление источника. Когда напряжение на конденсаторе становится выше суммы напряжения стабилизации стабилитрона 38 и падения напряжения на переходе база в эмитт транзистора 35, транзистор 35 открывается, транзистор 36 закрывается, а транзистор 37 открывается, шунтируя базовый ток транзистора 27, протекающий через резистор 47, но триггер продолжает находиться в том же состоянии. По мере заряда конденсатора 21 напряжение на выходе источника растет, напряжение на сопротивлении источника, равном сумме сопротивлений резисторов 10 и 11, уменьшается.Когда напряжение на выходе источника достигает заданного значения, падение напряжения на резисторах О и 1 становится ниже суммы падения напряжения на база-эмиттерном переходе транзистора 14 и напряжения стабилизации стабилитрона 16, транзистор 14 закрывается, приводя к открыванию транзисторов 7 и 13. Открывание транзистора 13 приводит к более быстрому закрыванию транзистора 14 за счет положительной обратной связи через резистор 18.Транзистор 7 открывается, при этом снижается сопротивление источника за счет шунтирования резистора 10. Снижение сопротивления источника питания приводит к скачкообразному увеличению зарядного тока через конденсатор 21, и на резисторе 22 выделяется напряжение, превышающее сумму падения напряжения на база-эмиттерном переходе транзистора 48 и напряжения стабилизации стабилитрона 50. Транзистор 48 открывается, вызывая закрывание транзистора 49. Напряжение на коллекторе последнего скачкообразно увеличивается и через диод 52 и конденсатор 59 на базу транзистора 26 поступает открывающий импульс тока. Триггер меняет состояние: транзистор 26 открывается, а транзистор 27 закрывается. Силовой транзистор 23 открывается, подключая нагрузку к накопителю, Если не происходит отключение источника питания от блока подключения нагрузки, то конденсатор 2 дозаряжается до номинального значения, равного напряжению на выходе источника.В случае коммутации цепи, соединяющей источник питания с блоком подключения нагрузки, максимальное напряжение на расходящихся контактах не может превысить разности между ЭДС источника питания и заданной величиной выходного напряжения источника, т.е. величины (Е - Ь). Поскольку значение тока в цепи не превышает значения, определяемого по характеристикам искробезопасности для безреактивной цепи145при напряжении (Е - 11), то возникающие при коммутации цепи электрические разряды не представляют опасности с точки зрения воспламенения взрывоопасной газовой смеси. Ток источника не может превысить значение, определяемое по характеристикам искробезопасности, так как в противном случае падение напряжения на резисторе 11 превысит величину (Е - И), а значит выходное напряжение источника уменьшится ниже заданной величины 1.3 и произойдет увеличение сопротивления источника. То же самое произойдет и при коротком замыкании выходных зажимов источника.Устройство, реализующее способ, было испытано на искробезопасность выходной цепи источника питания при следующих параметрах: ЭДС источника питания равна 30 В, заданная величина выходного напряжения источника 25 В, значение искробезопасного тока, определяемое по характеристикам искробезопасности для напряжения (Е - 11), равного 5 В - 12 А, сопротивление резистора 11 равно 0,6 Ом. Получен искробезопасный ток источника питания 3,5 А, При этом мощность, постоянно реализуемая в нагрузке, составила 90 Вт, что существенно больше, чем при использовании известных способов искробезопасного электропитания.Применение предлагаемого способа позволит за счет увеличения искробезопасной мощности электрических цепей расширить функциональные возможности аппаратуры автоматизации, работающей во взрывоопасной атмосфере, так как увеличение искро 115166безопасной мощности позволяет подключить дополнительные нагрузки при сохранении искробезопасности.Формула изобретенияСпособ искробезопасного электропитания, основанный на передаче энергии по линиям связи при искробезопасном значении тока, определяемом по характеристи кам искробезопасности, накоплении передаваемой энергии в накопителе при отключенной нагрузке, а также на ограничении энергии, выделяемой в разряд со стороны источника питания и накопителя с нагрузкой при коротком замыкании цепи, отличающий ся тем, что, с целью увеличения мощности, постоянно потребляемой нагрузкой, контролируют величину напряжения на выходе источника питания, а при достижении им заданной величины увеличивают мощ.20 ность источника литания путем уменьшения его сопротивления до величины, определяемой из соотношенияЕ - ЬК)25где Е - ЭДС источника питания;Б - заданная величина выходного напряжения;1 - значение тока, определяемое по характеристикам искробезопасности 30 для безреактивной цепи при напряжении (Е - 11), после чего подключают нагрузку к накопителю.1411516фигЗСоставитель Г. Нунупароь Редактор В. БугренковаТехред И. Верес Ко ррсктор Л. Питай За каз 3637/33 Тираж 426 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж - 35, Раугнская наб д. 45 Производственно-полиграфическое предприятие. г. ужгород ул.1 роектная. 4