【正文】 一類負荷的用電。 2 供電安全 供電安全就是在電能的分配、供應(yīng)和使用過程中，不應(yīng)發(fā)生人身觸電事故和設(shè)備事故，也不致引起電火災(zāi)和爆炸事故。尤其是礦井井下，工作環(huán)境特殊，特別容易發(fā)生上述事故。因此，必須嚴格按照《煤礦安全規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定 執(zhí)行，確保安全供電。煤礦安全供電的三大任務(wù)是防爆、防火、防觸電。 3 供電質(zhì)量 用電設(shè)備在額定參數(shù)下運行時性能最好。因此，要向用戶供應(yīng)質(zhì)量合 6 格的電能，其電壓和頻率必須穩(wěn)定。對于額定頻率為 50Hz 的交流電，其頻率偏差不允許超過 50~+50Hz。供電頻率由發(fā)電廠保證，用電企業(yè)無法改變。 4 供電經(jīng)濟 供電的經(jīng)濟性一般考慮三個方面：盡量降低企業(yè)變電所與電網(wǎng)的基本建設(shè)投資；盡可能降低設(shè)備、材料及有色金屬的消耗量；盡量降低供電系統(tǒng)的電能損耗及維護費用。 在設(shè)計礦用電源時一定要充分考慮到這些 供電要求， 供電可靠 、 供電安全 一定要滿足，在滿足著兩個條件的前提下，再對考慮 供電質(zhì)量 、 供電經(jīng)濟 的要求 。 目前 的 本質(zhì)安全電路及設(shè)備 完美的實現(xiàn)了這些要求，在很多供電系統(tǒng)中 已經(jīng)成為不可缺少的安全設(shè)備 ，在煤礦業(yè) 井下工作 應(yīng)用中更是如此。 第三章 礦用本安直流電源的的設(shè)計 電源 電路的總體 設(shè)計思路 依據(jù) 標準規(guī)定，本質(zhì)安全型電源需要雙重過壓過流保護， 保證在出現(xiàn)一級故障的情況下，依然能夠滿足本質(zhì)安全的要求， 這樣可極大地提高了下電路工作的安全系數(shù)。同時，系統(tǒng)也要求具有自恢復(fù)功能，即：當系統(tǒng)故障排除后能自動回復(fù)到正常工作狀態(tài)。 根據(jù)設(shè)計 礦用 本安電源 功能 ， 設(shè)計的本安直流電源電路相對 7 比較復(fù)雜，為了方便、簡化設(shè)計，將 設(shè)計電路根據(jù)功能分為三個設(shè)計模塊，即 過壓過流 保護 模塊，穩(wěn)壓模塊，開關(guān)控制模塊。 過壓過流保護電路 的設(shè)計 由于 本安電源的 過壓過流 保護電路可以限制電路中電壓和電流的大小從而可以保證 礦用 本安電源的安全 ，因而過壓過流保護電路的設(shè)計尤為重要。 為了使電源更可靠安全一般 在本安電氣設(shè)備中電路都需要采用雙重 過壓過流 保護電路 ， 即 一級過壓過流保護電路、二級過壓過流保護模塊。兩級過壓過流保護電路設(shè)計思路和設(shè)計原理完全相同，過壓過流保護電路的如圖 31 所示 。 8 1D21 N 4 0 0 7 G P1D11 N 4 0 0 7 G PQ1B D 1 3 8R31 . 0 k O h m _ 5 %R41 . 0 k O h m _ 5 %R54 9 9 O h m _ 1 %Q2B C 1 0 8 B PR74 . 7 k O h m _ 5 %R101 0 k O h m _ 5 %Q3B C 1 0 8 B PR62 0 k O h m _ 5 %C24 7 u F Q4B C 5 5 7 A PD31 N 4 0 0 7 G PR81 0 . 0 k O h m _ 1 %R94 7 0 O h m _ 5 %R112 . 4 k O h m _ 5 %D41 N 4 0 0 7 G PD51 N 4 0 0 7 G PQ5B D 1 3 8R141 . 0 O h m _ 5 %Q6B C 1 0 8 B PQ7B C 1 0 8 B PR174 7 0 O h m _ 5 %R182 0 k O h m _ 5 %C14 7 u F D11 2 V D21 2 V Q8B C 5 5 7 A PD61 N 4 0 0 7 G PR201 0 k O h m _ 5 %R211 0 k O h m _ 5 %R222 . 4 k O h m _ 5 %R234 7 0 O h m _ 5 %GNDGNDGNDGNDVCC12VR161 . 0 k O h m _ 5 %R14 9 9 O h m _ 1 %R24 9 9 O h m _ 1 %R124 9 9 O h m _ 1 %R134 9 9 O h m _ 1 %R154 9 9 O h m _ 1 % 圖 31 過壓過流保護電路 9 設(shè)計 的過壓過 流保護電路 電路中除了 用到了常用電氣元件電阻，電容外，還用到了晶體三極管和二極管，電路的的過流過壓保護功能主要通過控制三極管的通斷來實現(xiàn)。下面將關(guān)于晶體三極管和二極管的幾個概念和一些特性進行一下簡單介紹。 、 1 二極管 介紹二極管之前需要先提出來另一個名詞 PN 結(jié)。 PN 結(jié) 采用不同的摻雜工藝，將 P 型半導(dǎo)體與 N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成 PN 結(jié)。 PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦?，即，外加正向電壓時處于導(dǎo)通狀態(tài)，外加反向電壓時處于截止狀態(tài)。 將 PN 結(jié)用外殼封裝起來，并加上電極引線就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管 ，簡稱二極管。由 P區(qū)引出的電極是陽極，由 N 區(qū)引出的電極是陰極。 二極管的 伏安特性 與 PN 結(jié)一樣，二極管具有單向?qū)щ娦浴?但是由于二極管存在半導(dǎo)體體電阻和引線電阻，所以當外加正向電壓時，在電流相同的情況下，二極管的端電壓大于 PN 結(jié)上的壓降；或者說，在外加正向電壓相同的情況下，二極管的正向電流要小于 PN 結(jié)的電流；在大電流情況下，這種影響更明顯。另外，由于二極管表面漏電流的存在，時外加反向電壓時的反向電流更明顯。 在二極管加有正向電壓，當電壓值較小時，電流極?。划旊妷撼?10 過 時， 正向 電流開始 隨電壓 按指數(shù)規(guī)律增大 ， 使二極管開始導(dǎo)通的臨界電壓 二極管的開啟電壓；當電壓達到約 時，二極管處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，通常稱此電壓為二極管的導(dǎo)通電壓，用符號 UD 表示。 對于鍺二極管，開啟電壓為 ，導(dǎo)通電壓 UD 約為 。 主要參數(shù) 用來表示二極管的性能好壞和適用范圍的技術(shù)指標，稱為二極管的參數(shù)。不同類型的二極管有不同的特性參數(shù)。 最大整流電流 IF： 最大整流電流 IF 是指二極管長期連續(xù)工作時允許通過的最大正向電流值，其值與 PN 結(jié)面積及外部散熱條件等有關(guān)。因為電流通過管子時會使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過容許限度 （硅管為 141 左右，鍺管為 90 左右）時，就會使管芯過熱而損壞。所以在規(guī)定散熱條件下，二極管使用中不要超過二極管最大整流電流值。例如，常用的IN4001－ 4007 型鍺二極管的額定正向工作電流為 1A。 最高反向工作電壓 ： 加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時，會將管子擊穿，失去單向?qū)щ娔芰?。為了保證使用安全，規(guī)定了最高反向工作電壓值。例如，IN4001 二極管反向耐壓為 50V， IN4007 反向耐壓為 1000V（本次設(shè)計用到） 。 反向電流 ： 反向電流是指二極管在規(guī)定的溫度和最高反向電 壓作用下，流過二 11 極管的反向電流。反向電流越小，管子的單方向?qū)щ娦阅茉胶谩Ｖ档米⒁獾氖欠聪螂娏髋c溫度有著密切的關(guān)系，大約溫度每升高 10℃，反向電流增大一倍。 最高工作頻率 FM： FM 是二極管的上限截止頻率。超過此值時，由于結(jié)電容的作用，二極管將不能很好的體現(xiàn)單向?qū)щ娦浴? 2 晶體三極管 晶體 三極管又稱“ 半導(dǎo)體 三極管”或“晶體管”。在半導(dǎo)體鍺或硅的單晶上制備兩個能相互影響的 PN結(jié)，組成一個 PNP（或 NPN）結(jié)構(gòu)。中間的 N 區(qū)（或 P 區(qū)）叫基區(qū)，兩邊的區(qū)域叫發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，這三部分各有一條電極引線， 分別叫 基極 B、 發(fā)射極 E 和 集電極 C，是能起放大、振蕩或開關(guān)等作用的半導(dǎo)體電子器件。 E 區(qū)摻雜濃度最高， B區(qū)薄，摻雜濃度最底； C 區(qū)面積最大。 晶體三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和 硅管。而每一種又有 NPN 和 PNP 兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅 NPN 和鍺PNP 兩種三極管，（其中， N表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產(chǎn)生自由電子導(dǎo)電，而 p是加入硼取代硅，產(chǎn)生大量空穴利于導(dǎo)電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的 。 晶體三極管的作用主要是電流放大， 它 是電子電路的核心元件，現(xiàn)在的大規(guī)模集成電路的基本組成部分也就是晶體三極 管 ，它能夠控 12 制能量的轉(zhuǎn)換，將輸入的任何微小變化不失真的放大輸出。 以 NPN 型硅管接入共射放大電路為例講述晶體三極管的放大作用、特性曲線和主 要參數(shù)。 輸出特性曲線 輸出特性曲線描述基極電流 IB為一常量時，集電極電流 iC與管壓降 UCE 之間的函數(shù)關(guān)系，即： iC=f (uCE)， iB= 常數(shù) ； 對于每一個確定的 IB，都有一條曲線，所以輸出特性是一族曲線，如圖 32 所示。 13 圖 32 對于某一條曲線，當 uCE 從零逐漸增大時，集電極結(jié)電場隨之增強，收集基區(qū)非平衡少子的能力逐漸增強，因而 iC 也就逐漸增大。而當 uCE 增大到一定數(shù)值時，集電結(jié)電場足以將基區(qū)非平衡少子的絕大部分收集到集電區(qū)來， uCE 再增大，收集能力已不能 明顯提高，表現(xiàn)為曲線幾乎平行于橫軸，即 iC 幾乎僅僅決定于 IB。 從輸出特性曲線可以看出，晶體管有三個工作區(qū)域，截止區(qū)，放大區(qū)，飽和區(qū)。 （ 1） 截止區(qū)：其特征是發(fā)射結(jié)正電壓小于開啟電壓且集電結(jié)反向偏置。對于共射電路， UBE《 =Uon且 UCEUBE。此時 Ib=0,而 ic=ICEO.小功率硅管的 ICEO 在 1uA 以下，鍺管的 ICEO 小于幾十微安。因此在近似分析中可以認為晶體管截止時的 ic約為 0. （ 2） 放大區(qū)：其特征是發(fā)射結(jié)正向偏置（ UBE 大于發(fā)射結(jié)開啟電壓 Uon)且集電結(jié)反向偏置。對于共射電路， UBEUon 且 UCE=UBE。此時， ic 幾乎僅決定于 ib,而 UCE 與無關(guān)，表現(xiàn)出 ib 對 ic的控制作用，Ic= 。在理想情況下，當 IB 按等差變化時，輸出特性是一組橫軸的等距離平行線。 （ 3） 飽和區(qū)：其特征是發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均處于正向偏量。對于共射電路， UBEUon 且 UCE《 UBE。此時 ic 不僅與 ib有關(guān)，而且明顯隨 UCE 增大而增大， Ic 小于 。在實際電路中，若晶體管的 UBE 增大時， ib 隨之增大，但 ic 增大不多或基本不變，則說明晶體管進入 14 飽和區(qū)。 3 過壓過流保護電路的保護原理 兩級 過壓過流保護電路主要通過控制晶體 三極管的通斷來實現(xiàn)的。 一級過壓過流保護電路 的 保護 原理是：輸入的 12V(也可是其他數(shù)值） 直流電源先經(jīng)過兩條并聯(lián)支路，一是由 兩個 490歐姆的電阻 并聯(lián) 組成的 負載 分壓 電路 接到晶體三極管 Q1 的發(fā)射極上 ， 經(jīng)過該條分壓支路得到的電壓比 輸入的直流電源 12V 小一些；二是由兩個 IN4007（最大整流電流為 1A)型號的 二級管 ID ID2串聯(lián) 組成的電路 接到晶體三極管 Q1 的基極上 ， 由于二極管的單向?qū)щ娦裕?12V又遠遠大于二極管的開啟、導(dǎo)通電壓，所以 此時兩個二極管導(dǎo)通，而經(jīng)過兩個二極管的這條支路電壓基本沒什么變化。 此時根據(jù)各個點的電位可以判斷出 UBEUon（ ） ,UCEUBE,根據(jù)晶體三極管的輸出特性曲線可知 晶體三極管 Q1 處于放大狀態(tài)。 經(jīng)過兩個二極管的這條支路向下經(jīng)過一個 1千歐姆的 分壓負載電阻 R3然后接到 晶體三極管 Q2的集電極上，從 輸入的 12V(也可是其他數(shù)值） 直流電源 接入的另外一條支路經(jīng)過由兩個分壓電阻 1 千歐姆的 R4 和 490歐姆的 R5組成的串聯(lián)電路接到 晶體三極管 Q2的的基集上，而 晶體三極管 Q2 的發(fā)射極接地，電位為 ， Q2 也滿足 UBEUon（ ） ,UCEUBE，處于放大狀態(tài)。從 R4引出的一端接到 晶體三極管 Q3的集電極上， Q3 15 的發(fā)射極接地，由于 47uf 電容 C1的作用， Q3延遲導(dǎo)通，當電路電源接通時，先給電容充電， C1 充電完成后， Q3 才導(dǎo)通。當電路出現(xiàn)故障斷電時，電容放電，給電路提供電源，能實現(xiàn)斷電保護功能。 從 輸入的 12V(也可是其他數(shù)值） 直流電源 接入一條支路經(jīng)一10 千歐姆的負載電阻 R10接到了 晶體三極管 Q4 的基集上，從 Q3的基集接入的 R7 出來分成了兩條路，一條接 12V 的穩(wěn)壓管，另一條支路接到了 晶體三極管 Q4 的集電極上，而根據(jù)電路圖可以看出 晶體三極管 Q4 發(fā)射極的電位是可以準確算出來的。 輸入的12V(也可是其他數(shù)值） 直流電源 經(jīng)過兩個分壓電阻 470 歐姆的 R9和 R11組成的串聯(lián)分壓 R11的另一端直接接地，根據(jù)分壓原理有： UE=（ +） *12V=， Q4也滿足處于放大狀態(tài)的條件。 上述是一級過壓過流保護電路的保護原理，二級過壓過流保護電路的保護原理和其類似。只是輸入電壓變?yōu)榻?jīng)過一級過壓過流保護電路的直流電壓。 二級保護 輸入的直流電源 （比 12V略?。?先經(jīng)過兩條并聯(lián)支