Искробезопасный источник питания
Владельцы патента RU 2479905:
Научно-исследовательская лаборатория автоматизации проектирования, общество с ограниченной ответственностью (НИЛ АП, ООО) (RU)
Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности и уменьшение мощности, рассеиваемой внутри блока питания. В источнике питания вместо барьера искробезопасности используется блок, состоящий из полупроводникового ключа, который отключает выход источника питания от нагрузки в случае неисправности стабилизатора. Ограничение напряжения выполняется с помощью стабилизатора, а искробезопасность обеспечивается дублированием или троированием полупроводниковых элементов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области промышленной автоматики и может быть использовано в системах автоматизации взрывоопасных производственных объектов.
Уровень техники
Принципы построения искробезопасных источников питания изложены в ГОСТ 51330-10. Для обеспечения искрозащиты необходимо обеспечить ограничение на требуемом уровне тока и напряжения на выходе источника питания, а также обеспечить неповреждаемость элементов, влияющих на искробезопасность, с помощью дублирования или троирования. Конструкция искробезопасного источника питания, построенного непосредственно по требованиям ГОСТ 51330.10, состоит в применении ограничителя тока и стабилизатора напряжения, которые для обеспечения их неповреждаемости дублируются или троируются. Недостатком такого подхода является большая рассеиваемая мощность на регулирующих элементах, что требует применения радиатора, трансформатора повышенной мощности и приводит к удорожанию устройства.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является искробезопасный источник питания (фиг.1)
[http://www.avantazh.com/products/bloki_pitaniya_с_iskrobezopasnymi_vyhodami_serii_bi-hhh/bloki_pitaniya_iskrobezopasnye_bi-ip-8_12_18_24],
состоящий из неповреждаемого блока питания 1, выход которого соединен со входом стабилизатора 2, выход которого соединен со входом диодного барьера искробезопасности 3, выход которого является выходом устройства 4. Между входом и выходом барьера искробезопасности включен неповреждаемый резистор 5, а между выходом и общим проводом включен стабилитрон 6. Для обеспечения разных уровней искробезопасности диод и резистор могут дублироваться или троироваться.
Принцип действия устройства основан на том, что ограничителем тока служит неповреждаемый резистор 5, а ограничителем напряжения - стабилитрон. Поэтому при неисправностях в блоке 2 ток выхода 4 не может превысить величину отношения напряжения на выходе блока питания к сопротивлению резистора 5, а напряжение выхода 4 не может превысить напряжение стабилизации стабилитрона 6, что обеспечивает искробезопасность устройства.
Недостатком устройства является выделение большой мощности на резисторе 5 в случае неисправности стабилизатора 2 или в случае короткого замыкания в нагрузке, что приводит к рассеиванию большой мощности внутри устройства, к необходимости применения резистора и блока питания большой мощности.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение мощности, рассеиваемой внутри блока питания.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом источнике питания (фиг.2) вместо барьера искробезопасности используется блок 9, состоящий из полупроводникового ключа 7 со схемой управления (элементы 3, 4, 5, 6), который отключает выход 8 источника питания от нагрузки в случае неисправности стабилизатора 2, при которой может увеличиться ток или напряжение на выходе стабилизатора. Благодаря дифференциальному усилителю 4 сопротивление резистора 3 может быть выбрано достаточно малым, тем самым уменьшается мощность, выделяемая внутри устройства. На ключе же 7 выделяемая мощность пренебрежимо мала, поскольку сопротивление открытого ключа может быть выбрано достаточно малым.
Ограничение напряжения в предлагаемом устройстве выполняется с помощью стабилизатора 2, а требуемая ГОСТ 51330.10 искробезопасность при возможных неисправностях обеспечивается дублированием или троированием блока 9. При этом не требуется дублирование или троирование стабилизатора 2.
В основе изобретения лежит идея отделения функции обеспечения безопасности от функции обеспечения надежности. То есть при неисправности стабилизатора источник питания оказывается неисправен с точки зрения выполнения своей функции, но оказывается исправен с точки зрения обеспечения искробезопасности.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - структурная схема источника питания прототипа.
Фиг.2 - структурная схема предлагаемого источника питания.
Фиг.3 - структурная схема предлагаемого источника питания с дублированным блоком 9.
Осуществление изобретения
Предположим, что в стабилизаторе возникла неисправность, приведшая к росту напряжения и тока на выходе стабилизатора 2. Тогда увеличится напряжение на входе сумматора 5 и ток через резистор 3, увеличится напряжение на выходе дифференциального усилителя 4 и на входе и выходе сумматора 5. Когда напряжение на выходе сумматора 5 увеличится до напряжения порога срабатывания триггера 6, на выходе триггера появится напряжение, достаточное для запирания ключа 7. После запирания ключа 7 выход источника питания оказывается обесточен, что и требуется для обеспечения искробезопасности.
По мнению авторов, сущность заявляемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как прямое решение на основе рекомендаций ГОСТ 51330.10 состояло бы в дублировании или троировании всего стабилизатора 2 целиком. Мы же впервые при конструировании искробезопасных источников питания отделили функцию обеспечения безопасности от функции обеспечения надежности, благодаря чему вместо дублирования или троирования стабилизатора оказалось возможным использовать ключевую схему, что снижает рассеяние мощности внутри устройства.
Предлагаемое изобретение показало высокие технические характеристики, сертифицировано по ГОСТ 51330.10 и в настоящее время находится в стадии освоения серийного производства.
1. Искробезопасный источник питания, содержащий блок питания, выход которого соединен со входом стабилизатора напряжения, отличающийся тем, что выход стабилизатора соединен с первым выводом резистора, первым входом дифференциального усилителя и с первым входом сумматора, второй вывод резистора соединен с первым выводом ключа, второй вывод которого является выходом устройства, и со вторым входом дифференциального усилителя, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен со входом триггера, выход которого соединен с управляющим входом ключа.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй вывод ключа соединен с первым выводом второго резистора, первым входом второго дифференциального усилителя и с первым входом второго сумматора, второй вывод второго резистора соединен с первым выводом второго ключа, второй вывод которого является выходом устройства, и со вторым входом второго дифференциального усилителя, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора, выход которого соединен со входом второго триггера, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа.
