【正文】 止非本安的輸人端傳遞到本安的輸出端 , 影響本安電源性能 ,要求輸人、輸出端必須采取電氣隔離 ,并且達(dá)到規(guī)定的耐壓等級(jí) 。 根據(jù)煤礦相關(guān)的規(guī)定 ,許多傳感器在電網(wǎng)停后必須繼續(xù)工作。 4 （ 3）保護(hù)電路多重化。 按 GB3836 一 2021《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定 ,本安電源采用 IB 等級(jí) , 保護(hù)元件或組件需要雙重化。 本安電源必須限制電路火花的放電能量 ,即限制電源的輸出電壓、放電電流和放 電時(shí)間 。 除了這些特性外， 本 質(zhì) 安全 型 電路及設(shè)備在使用過程中 , 具有安全程度高、體積小、重量輕、安裝簡單、維護(hù)方便、制造成本低等優(yōu)點(diǎn) , 更重要的是 可以應(yīng)用在易燃、易爆等危險(xiǎn)工作環(huán)境中 。對礦山進(jìn)行可靠、安全、經(jīng)濟(jì)的供電，對提高經(jīng)濟(jì)效益及保證安全生產(chǎn)等方面都有十分重要的意義。在礦山企業(yè)中，各種電力負(fù)荷對電可靠性的要求是不同的，為了能在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的前提下滿足不同負(fù)荷對供電可能性的要求，把電力負(fù)荷分為三類。如礦井的主通風(fēng)設(shè)備一旦停電，可能導(dǎo)致瓦斯爆炸及井下人身傷亡等重大事故。對一類負(fù)荷應(yīng)由兩個(gè)獨(dú)電源供電；對有特殊要求的一類負(fù)荷，兩個(gè)獨(dú)立電源應(yīng)來自不同地點(diǎn)，以保證供電的絕對可靠。如礦井集中提煤設(shè)備、空壓機(jī)及采區(qū)變電所等。對三類負(fù)荷供電一般采用單回路供電方式，不考慮備 用電源，根據(jù)需要各負(fù)荷還可用一條輸電線路。在供電系統(tǒng)運(yùn)行，確保一類負(fù)荷的供電不間斷；保證二類負(fù)荷的用電；而對三類負(fù)荷則更多地考慮供電的經(jīng)濟(jì)性。 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。因此，必須嚴(yán)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。 3 供電質(zhì)量 用電設(shè)備在額定參數(shù)下運(yùn)行時(shí)性能最好。對于額定頻率為 50Hz 的交流電，其頻率偏差不允許超過 50~+50Hz。 4 供電經(jīng)濟(jì) 供電的經(jīng)濟(jì)性一般考慮三個(gè)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(hù)費(fèi)用。 目前 的 本質(zhì)安全電路及設(shè)備 完美的實(shí)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。同時(shí)，系統(tǒng)也要求具有自恢復(fù)功能，即：當(dāng)系統(tǒng)故障排除后能自動(dòng)回復(fù)到正常工作狀態(tài)。 過壓過流保護(hù)電路 的設(shè)計(jì) 由于 本安電源的 過壓過流 保護(hù)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(hù)電路的設(shè)計(jì)尤為重要。兩級(jí)過壓過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)原理完全相同，過壓過流保護(hù)電路的如圖 31 所示 。下面將關(guān)于晶體三極管和二極管的幾個(gè)概念和一些特性進(jìn)行一下簡單介紹。 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)。 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。 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Ａ硗?，由于二極管表面漏電流的存在，時(shí)外加反向電壓時(shí)的反向電流更明顯。 對于鍺二極管，開啟電壓為 ，導(dǎo)通電壓 UD 約為 。不同類型的二極管有不同的特性參數(shù)。因?yàn)殡娏魍ㄟ^管子時(shí)會(huì)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(shí)，就會(huì)使管芯過熱而損壞。例如，常用的IN4001－ 4007 型鍺二極管的額定正向工作電流為 1A。為了保證使用安全，規(guī)定了最高反向工作電壓值。 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。值得注意的是反向電流與溫度有著密切的關(guān)系，大約溫度每升高 10℃，反向電流增大一倍。超過此值時(shí)，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?。在半?dǎo)體鍺或硅的單晶上制備兩個(gè)能相互影響的 PN結(jié)，組成一個(gè) PNP（或 NPN）結(jié)構(gòu)。 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。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）。 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。 輸出特性曲線 輸出特性曲線描述基極電流 IB為一常量時(shí)，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(gè)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。而當(dāng) uCE 增大到一定數(shù)值時(shí)，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。 （ 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。此時(shí) 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。對于共射電路， UBEUon 且 UCE=UBE。在理想情況下，當(dāng) IB 按等差變化時(shí)，輸出特性是一組橫軸的等距離平行線。對于共射電路， UBEUon 且 UCE《 UBE。在實(shí)際電路中，若晶體管的 UBE 增大時(shí)， ib 隨之增大，但 ic 增大不多或基本不變，則說明晶體管進(jìn)入 14 飽和區(qū)。 一級(jí)過壓過流保護(hù)電路 的 保護(hù) 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(gè) 490歐姆的電阻 并聯(lián) 組成的 負(fù)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(gè) IN4007（最大整流電流為 1A)型號(hào)的 二級(jí)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于二極管的開啟、導(dǎo)通電壓，所以 此時(shí)兩個(gè)二極管導(dǎo)通，而經(jīng)過兩個(gè)二極管的這條支路電壓基本沒什么變化。 經(jīng)過兩個(gè)二極管的這條支路向下經(jīng)過一個(gè) 1千歐姆的 分壓負(fù)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(gè)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)。當(dāng)電路出現(xiàn)故障斷電時(shí)，電容放電，給電路提供電源，能實(shí)現(xiàn)斷電保護(hù)功能。 輸入的12V(也可是其他數(shù)值） 直流電源 經(jīng)過兩個(gè)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。只是輸入電壓變?yōu)榻?jīng)過一級(jí)過壓過流保護(hù)電路的直流電壓。此時(shí)根據(jù)各個(gè)點(diǎn)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 Q5 處于放大狀態(tài)。從 R14 引出的一端接到 晶體三極管 Q7 的集電極上， Q7的發(fā)射極接地，由于 47uf電容 C2 的作用， Q7 延遲導(dǎo)通，當(dāng)電路接通時(shí)，先給電容充電， C2充電完成后， Q7 才導(dǎo)通。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(fù)載電阻 R20 接到了 晶體三極管 Q8 的基集上，從 R17 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 Q8的集電極上，而根據(jù)電路圖可以看出 晶體三極管 Q8 發(fā)射極的電位是可以準(zhǔn)確算出來的。 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì) 經(jīng)過雙重過壓過流保護(hù)電路得到的電壓可能有一些 紋波 ，為了保證電源的質(zhì)量經(jīng)過雙重保護(hù)電路得到的電源必須要經(jīng)過穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓獲得較為干凈穩(wěn)定的直流電壓信號(hào)將其作為系統(tǒng)的直流電源輸出。穩(wěn)壓電路圖所下圖 33 所示 。穩(wěn)壓管在反向擊穿時(shí)，在一定的電流范圍內(nèi)（或者說在一定的功率損耗范圍內(nèi)），端電壓幾乎不變，表現(xiàn) 18 出穩(wěn)壓特性，因而廣泛應(yīng)用于穩(wěn)壓電源與限幅電路之中。 當(dāng)穩(wěn)壓管外加反向電壓的數(shù)值大到一定程度時(shí)則被擊穿，擊穿區(qū)的曲線很陡，幾乎平行于縱軸，表現(xiàn)其具有穩(wěn)壓特性。 圖 34 穩(wěn)壓管的伏安特性曲線 穩(wěn)壓二極管 (又稱 齊納二極管 )： 是一種專門工作于反向 (崩潰， Breakdown)區(qū)域的二極管，如有一適量的電流流經(jīng)此二極管，則其兩端點(diǎn)間產(chǎn)生一固定不變的電壓，名 19 為：”穩(wěn)壓電壓”，由于其電壓穩(wěn)定，故被廣泛用于穩(wěn)壓電路或用作參考電壓源。 電路符號(hào)和曲線圖 35所示 ： 圖 35 穩(wěn)壓管的等效電路圖 穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理： 經(jīng)過 兩級(jí) 過壓過流保護(hù)電路得到的 直流 電源 再 經(jīng)過 由 兩個(gè) 12V的 穩(wěn)壓管 D D8 并聯(lián) 組成的 穩(wěn)壓電路 ，由穩(wěn)壓管的特性可知 穩(wěn)壓管 兩端點(diǎn)間產(chǎn)生一固定不變的電壓 ，電壓穩(wěn)定，而輸出電壓與 12V 相近，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓效果， 即可得到理想的直流 電源，隨后本安輸出。 本次設(shè)計(jì)用到了兩個(gè)發(fā)光二級(jí)管作為兩個(gè)指示燈，即紅色發(fā)光二級(jí)管和綠色發(fā)光二級(jí)管。開關(guān)控制電路的設(shè)計(jì)電路圖如下圖 36 所示。紅色發(fā)光二級(jí)管的亮滅狀態(tài)和電路的工作狀態(tài)和燈控開關(guān)的是否閉合有關(guān)，當(dāng)燈控開關(guān)閉合時(shí)，如果一二級(jí)過壓過流保護(hù)電路處于正常工作狀態(tài)，綠色發(fā)光二級(jí)管處于亮的狀態(tài)，如果一二 級(jí)過壓過流保護(hù)電路出現(xiàn)工作異常時(shí)，綠色發(fā)光二級(jí)管不亮。 1 發(fā)光二級(jí)管 發(fā)光二極管簡稱為 LED。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。 磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光 ，本次設(shè)計(jì) 用到了紅色發(fā)光二級(jí)管和綠色發(fā)光二級(jí)管。 圖 37 發(fā)光二級(jí)管符號(hào) 22 發(fā)光二級(jí)管也具有單向?qū)щ娦?，只有?dāng)外加的正向電壓使得正向電流足夠大時(shí)才發(fā)光，它的開啟電壓比普通二極管的大 .紅色的在 ，綠色的約為 2V。使用時(shí)，應(yīng)特別注意不要超過最大功耗、最大正向電流和反向擊穿電壓等極限參數(shù)。 2 開關(guān)控制電 路的控制原理 由 開關(guān)控制電路 的設(shè)計(jì)電路圖可以看出來，由于 輸入的 12V(也可是其他數(shù)值） 直流電源 的直接作用電源指示燈綠色發(fā)光二級(jí)管LED1 一直處于亮的狀態(tài)，而 紅 色發(fā)光二級(jí)管 LED2 的狀態(tài)和燈控開關(guān) J1 的斷開閉合有關(guān)。（ 1）當(dāng)燈控開關(guān) J1閉合時(shí) ，晶體三極管 Q9的集電極接地，此時(shí) Q9 滿足導(dǎo)通條件，處于放大狀態(tài)， Q9的集電極經(jīng)一 1 千歐姆的電阻接到晶體三極管 Q10 的基集上， Q10 的發(fā)射極接地， Q10也導(dǎo)通， 紅色發(fā)光二級(jí)管 LED2 中有電流通過，導(dǎo)通，發(fā)光。 整體設(shè)計(jì)電路圖 將各個(gè)設(shè)計(jì)模塊組合起來就構(gòu)成了整體設(shè)計(jì)電路圖，如下圖 38 23 所示。 第四章 礦用本安直流電源設(shè)計(jì)電路的仿真實(shí)驗(yàn) 由于本次設(shè)計(jì)的電路相對比較復(fù)雜，由幾個(gè)功能模塊組成，為了簡化 仿真實(shí)驗(yàn)，和電路設(shè)計(jì)一樣 ，按照先模塊仿真 實(shí)驗(yàn) ，再總體仿真 實(shí)驗(yàn) 的思路進(jìn)行調(diào)試仿真。實(shí)驗(yàn)時(shí)為了更仔細(xì)的分析電路 一定 要 每隔一個(gè)器件就用示波器觀察一次波形， 根據(jù)電壓波形的變化 分析接入 的 每一個(gè)器件的功能。下面對 Multisim進(jìn)行簡單的介紹。 與其他 Windows 環(huán)境下的系統(tǒng)軟件相類似，它具有圖形化界面，提供按鈕式的工具欄，各個(gè)菜單中各個(gè)選項(xiàng)的物理意義一目了然，在輸入原理圖時(shí)，自動(dòng)的將其編輯成網(wǎng)絡(luò)表送到仿真器，加快建立和管理的時(shí)間；而在仿真過程中，若改變設(shè)計(jì)，則立刻獲得該變化所帶來的影響，實(shí)現(xiàn)了交互化的設(shè)計(jì) 和仿真。為適應(yīng)不同的應(yīng)用場合， Multisim 推出了許多版本，用戶可以根據(jù)自己的需要加以選擇。 Multisim 提煉了 SPICE 仿真的復(fù)雜內(nèi)容 ，這樣使用者無需懂得深入的 SPICE 技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析 26 新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。下面簡要地介紹該軟件的概況和使用方法 。 一、 Multisim 的主窗口界面。通過對各部分的操作可以實(shí)現(xiàn)電路圖的輸入、編輯，并根據(jù)需要對電路進(jìn)行相應(yīng)的觀測和分析。 二、菜單欄 菜單欄位于界面的上方，通過菜單可以對 Multisim 的所有功能進(jìn)行操作。此外，還有一些 EDA軟件專用的選項(xiàng)，如 Place， Simulation， Transfer以及 Tool 等。通過工具欄，用戶可以方便直接地使用軟件的各項(xiàng)功能。 Multisim 對元器件的管理 EDA 軟件所能提供的元器件的多少以及元器件模 型的準(zhǔn)確性都直接決定了該 EDA軟件的質(zhì)量和易用性。 Multisim 以庫的形式管理元器件，通過菜單 Tools/ Database Management 打開 Database Management（數(shù)據(jù)庫管理）窗