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1、哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）摘 要电力是现代煤炭工业的主要动力，是保证矿业生产的先决条件。矿井供电要求保证可靠，矿井供电中断时不仅会影响原煤的生产产量，而且会导致矿井排水系统停止工作，同时井下停电停风后，还会造成瓦斯积累，从而导致设备损坏、生产停顿、危害井下人身安全，后果比较严重。 随着煤矿管理现代化的提高, 本质安全型电气设备在井下的监控、通讯、信号、仪表和自动化系统中应用日益广泛。本安电源作为本安系统不可缺少的组成部分 ，其技术先进性和产品质量决定了本安设备的可靠性 , 从而直接影响到监测系统数据采集的准确性、可靠性 、稳定性 。因此 ,本安电源的质量 、技术发展水平越来
2、越得到人们的重视 。 关键词 电力；煤炭；瓦斯；本安AbstractElectric power is the main driving force of modern coal mining, is to ensure that the prerequisite of production. Mine power supply requirements to ensure reliable power supply interruption, the mine will not only affect the coal production yield, but also causes th
3、e mine drainage system to stop working, and the underground power to stop the wind, can cause gas accumulation, resulting in damage to the equipment, production to a standstill, endanger personal safety under the well, the serious consequences. With the development of coal mine management modernizat
4、ion to improve, intrinsically safe electrical equipment in underground surveillance, communications, signals, instruments and automation system becomes more widely. Intrinsically safe power as an indispensable part of intrinsically safe system, its advanced technology and product quality has decided
5、 the intrinsically safe equipment reliability, which directly affects the accuracy of data acquisition monitoring system, reliability, stability. Therefore, intrinsically safe power supply quality, developing level of technology has been paid more and more attention.Keywords electric power ； coal ；
6、wase； intrinsic safety目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 课题研究的背景11.1.2 课题研究的意义11.2 本安电路理论及本安电源的发展概况21.2.1 国内外本质安全理论的发展21.2.2 本安防爆电源的发展现状4第2章 方案选择52.1 本安防爆系统结构及特点52.2 本安电源分类72.2.1 一次本安电源72.2.2 二次本安电源9本章小结11第3章 本安电源硬件设计方案123.1电源电路的总体设计思路123.2所用元器件简介123.2.1 二极管123.2.2 二极管的伏安特性123.2.3 主要参数133.2.4 稳压
7、二极管143.2.5 晶体三极管153.2.6 发光二极管173.3过压过流保护电路的设计173.3.1 过压过流保护电路的保护原理193.4稳压电路的设计213.4.1 稳压电路稳压原理213.5开关控制电路的设计213.5.1 开关控制电路的控制原理223.6 整体设计电路图22本章小结24第4章 本安电源硬件调试25本章小结25结 论26致 谢27参考文献28附录1 译文30附录2 英文参考资料3438第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1 课题研究的背景煤炭是我国国民发展生产必不可少的重要能源之一，我国的煤炭生产和消费位居世界首列，在我国的一次性能源生产和消费结构中煤炭占的比例约六成左
8、右。在开发出新能源之前，煤炭仍然是用于生产的主要能源。然而生产煤炭的环境十分恶劣，有大量的甲烷等易燃易爆气体及粉尘等其他易爆物质存在，稍有不慎即会引发火灾、爆炸等惨剧。由于我国煤炭产量的日益增多以及现代科技的迅猛发展，机械设计制造及其自动化程度不断改善，新型的高集成度智能化电气设备被应用到易燃易爆的场合中，不合理的使用电气设备或者线路自身老化都是容易引起短路并产生火花，引燃或者是引爆可燃气体混合物，严重影响生产生活并有可能造成重大损失。2009年11月21日黑龙江省的新兴煤矿发生了一起特大的瓦斯爆炸事故，事故造成108人遇难，多人重伤；2010年12月7日，河南义马煤业集团巨源煤业公司发生瓦斯
9、爆炸事故，共造成26人遇难。2012年3月22日，辽宁省辽阳市灯塔市大黄二矿发生了一起重大的瓦斯爆炸事故，造成5人死亡、1人受伤。在一次又一次的重大事故面前，生命是如此的苍白无力。因此，在得益于煤炭工业取得成就的同时，煤矿生产中的安全问题也应该引起我们的重视。为了安全生产业为了人民群众生命财产的安全，对于在易燃易爆环境中使用的所有电气设备必须要满足防爆要求的相关等级，作为井下供电必须使用的电源的防爆技术就显得至关重要了。1.1.2课题研究的意义 现代科技的迅速进步，直流稳压电源的控制元器件已经集成化，元件成本下降，为设计、生产出高效率的开关电源奠定了基础。与线性稳压电源相比较，开关稳压电源所具
10、备的优势可以归纳如下：其一，开关电源的体积相对小，重量比较轻，效率也高；线性稳压电源的调整管多工作在线性放大区，效率较低，发热量大和损耗大是不可避免的，除此之外它要使用工频变压器这就导致它的体积和质量变大。开关稳压电源的开关管工作在高频开关状态，故损耗小，效率高，无需组装大的散热器件；开关电源采用高频变压器代替工频变压器，从而降低了电源的体积和重量。其二，输出过电压的危险性小；对于线性电源来说，电路中串联的有调整管，这会使得电压下降很多，一旦它因击穿而遭到损坏时，很可能会使得输出电压上升，损坏负载；线性电源中含有高频变压器，当开关管损坏，主回路将会停止工作，就没有电压输出，这对过电压比较敏感的
11、负载是有利的。其三，开关稳压电源在电网波动比较大的场合同样有很强的适应能力；如果线性稳压电源输入电压和输出电压之差增大，那么调整管的功耗和温升也随之增加，所以线性电源不适合使用在电压波动大的场合。一般的状态时，当供电电网的波动在-20%+15%之间时，开关稳压电源都是可以安然无恙工作的，且内部的功耗和温升几乎不会有较大变动。综合上文可知，线性电源和开关稳压电源都有着诸多优缺点，通过分析煤矿井下对电源的要求，如果开关电源运用于煤矿井下会比较合适；但是根据目前的研究成果来看，开关电源多是应用于地面，它不能直接用于矿井下易燃易爆这样恶劣的工作环境。这是由于普通的开关电源输出端有大的电容和电感等储能元
12、器件，不能够满足本安电气所要求的防爆技术等级。1.2 本安电路理论及本安电源的发展概况1.2.1 国内外本质安全理论的发展 十九世纪八十年代亚工业大学针对瓦斯爆炸做了相关的研究和试验，并在十九世纪末期的后续试验过程中最终得出“任何电火花都是可以引起爆炸”的结论，这个结论意义深远。1916年桑顿在参与研制了火花试验装置之后，提出设计本质安全电路的方法及相关理论，这是本质安全理论正式创立的标志。较早时使用的本质安全电源是蓄电池组，它由多个湿式勒兰社电池串联而组成的，通过串联一个大电阻来限制短路电流，将蓄电池组合电阻封装成一个整体结构。用蓄电池作为信号电源经常会出现故障，而且需要人工维护，这非常不便
13、，所以人们开始使用交流电来试制电源。二十世纪七十年代中后期，国外一些技术专家应用脉冲变压器来设计本安电源，这就是本安型开关电源的雏形。Bock-horst等研究者于1981年成功的申请了一种可以控制的本质安全型电源专利。到2003年，美国的科学家又成功的开发了一款能够在多数环境下使用的本安型开关电源，这一发明获得了专利，有着历史性的意义。上个世纪六十年代初，我国开始了对本安直流稳压电源进行研究，此时的研究对象是为矿灯供电的本安型蓄电池。随后我国又相继研究出了大容量的本质安全型的稳压电源，并开始应用于石油、煤矿等领域。九十年代所设计的本安型开关电源，为增加其本质安全性能，在电源的输出端增加了多重
14、保护电路，这一想法被证实是完全正确的。我国科学家对几种常用的开关变换器分别做本安特性试验，最终提出来电感、电容最优化设计方法和判断变换器本质安全的方法，对于深入研究本安电源有着重大的理论意义。国内外对本安型开关电源的研究成果可以归纳为：其一，先前对的本安开关电源的研究停留在对输出的要求上，现在的研究则兼顾输出和内部的本安安全，这是一种极大的进步；其二，先前的开关电源附加的有保护电路，这样一来可以有效的增加其本安特性，但是现在的设计理念是着手改变电路内部的设计参数；其三，以往用以保证电路本安特性是从能量释放和分流方面来考虑的，现在则是设法减小电路产生的能量。我国对本质安全理论的研究与国外相比较来
15、说相对滞后，尽管如此，我国的科学家经过不懈的努力，加强对理论知识的探索学习，对于本安电源的设计研发取得了良好的成绩。进入六十年代我国自行研发设计的煤矿用本案设备已经投入到实际应用当中，尤其是近期我国在本安理论方面的研究有着很大的进步，已于国际水平接轨。随后我国的科技人员又对电容性电路以及更加复杂电路的引燃特性与放电特性进行了细致的理论研究和分析，并健全的相应的数学参考模型，为后续的研究提供了极大的便利。我国生产的本安电源等相关产品与发达国家的同类产品相比可能会有些差异，但是通过我国科学家的不断努力，相信在不久的将来我们的产品也会站在世界的前端。目前国内生产的隔爆兼本质安全电源产品种类繁多，如D
16、XJ-24矿用隔爆兼本安电源箱、MCDX-III隔爆兼本质安全型不间断电源箱、TK220矿用隔爆兼本安电源箱、KDW17矿用隔爆兼本质安全型电源箱等。这些电源箱体的输出功率不大，不能够完全满足煤矿生产，还有许多地方需要进一步的优化改进才能够投入使用，这也是本科题研究的意义所在。1.2.2本安防爆电源的发展现状美国人发明了自激振荡推挽式晶体管单变压器直流变换器，这一发明敲开了高频转换控制电路的大门，随后美国的科研人员建议去除开关电源的工频变压器。1976年美国的硅通公司率先推出了脉宽调制控制芯片，这种芯片有效的减小了体积提升了开关电源的工作可靠性，有着跨时代的意义。国内对开关稳压电源研制始于六十
17、年代，随后成功的研制出无工频的降压变压器开关稳压电源。八十年代中期开始推广和应用自主研发的电源产品。AC/DC功率变换技术也在上个世纪经历了长时间的发展和应用。在发展和应用硬开关技术的同时，为减小开关损耗，提高电源效率和开关频率，国内外的科学研究工作者深入研究高频软开关技术原理。当电压或电流自然过零时，关断或导通开关管，以降低功率开关元件器件的功耗，使得开关频率提高到MHz的数量级别。全谐振动变换器最早出现在七十年代，我们称为谐振变换器。这种变换器通常采取频率调制的方式，对负载变化很灵敏。八十年代中期出现了多谐振变换器的准谐振变换器。它们也是采用频率调制的控制方法，但是它们的谐振元件只能参与与
18、能量变换的某一个阶段中，而非全过程中。在八十年代末期出现的零开关PWM变换器所采取的都是PWM控制，谐振元件的谐振工作时间一般为开关周期的五分之一左右。第2章 方案选择2.1 本安防爆系统结构及特点通常所见文献中涉及本安防爆系统的结构时，均给出如图2-1所示的结构框图，这是一种常见的本安防爆系统结构的基本配置，但目前尚未有结构研究工作的开展。此外，实际应用的系统结构也非图2-1 能完全概括。本安防爆系统归纳划分成4 种结构。不同的系统结构具有不同的特点，导致其适用范围也有所不同。图2-1 本案防爆系统结构1）第1种结构如图2-1所示。该结构中供电系统可以是交流，也可以是直流; 关联设备一般采用
19、安全栅实现，其作用是无论系统处于正常或故障状态，均可以将安全环境中的非本安回路传递到危险环境中，本安设备的能量限制在点燃能量之下; 处于危险环境中的现场本安设备需要按照本安防爆要求来设计，对其中的电感L、电容C 等储能元件采取相应措施通过限制能量保证其本安性能。该结构为满足本质安全的要求而采用限能关联设备，这将使得从安全环境传至危险环境的能量( 即关联设备输出能量) 较小，所以只适用于安全环境与危险环境距离不太远的场合，如石油化工等行业，而对于煤矿井下的特殊环境则通常不适合，因为通常在近距离内难以找到合适的安全环境。2) 第2 种结构如图2-2所示，其供电系统由输出本质安全型电源实现，虽然输入
20、不是本安型的，由于处在安全环境中，所以不必采用隔爆外壳，普通外壳即可; 关联设备的功能由本安电源的输出保护组件实现，不需要外加安全栅等关联设备，且根据保护组件的功能可以设计成限流型、减流型或截流型。该结构同样只适用于安全环境与危险环境距离较近的系统。 图2-2 本安防爆系统结构3）第3种结构如图2-3所示，其供电系统输出的交流电需要采用隔爆电缆接入危险环境。危险环境中首先经AC/DC本安电源将非本安交流电变成本安直流输出，该电源在本文称之为一次本安电源，它必须包括多重化限能环节，实现输出本安的要求，早期常采用安全栅实现，目前多使用特殊设计的输出保护组件实现。一次本安电源可根据需要设计成不间断供
21、电电源。图3 所示系统结构由于防爆电缆的长度不再受限能环节约束，可适用于安全环境与危险环境距离较远的系统。图2-3本安防爆系统结构4) 第4种结构如图2-4所示，它是结构3 中对现场设备的扩展，适用于现场设备对电源电压或电流等级需求不同的情况，特别是分布式监测监控系统。系统结构中供电系统、一次本安电源的功能及要求同结构3。不同之处在于分布式结构及二次本安电源的使用。此系统结构适用于安全环境与危险环境距离较远的分布式系统，它目前是煤矿井下分布式本安型监测监控防爆系统的主流结构形式。图2-4本安防爆系统结构2.2本安电源分类在安全环境中，存在一次电源和二次电源的分类，在危险环境中也可以同样划分。危
22、险环境中，一次本安电源由于其输入部分通常取自电网，电压高、频率低，需要较大的整流滤波电容，因此，仅输入整流环节就很难达到本安的要求，实际使用时大多采用隔爆兼本安电源; 二次本安电源输入为一次本安电源的输出，具有本安特性。二次本安电源通过对内部电气参数进行限制，使其在正常工作和规定的故障状态下，从输入到输出的各个环节( 包括输入环节、变换器部分以及输出环节等) 所产生的电火花和热效应均不能点燃危险易燃物，该类型可称为完全本安型电源。内部本安型电源故障时仍需要通过保护电路的切断限制能量的输出，从而达到输出本质安全的要求，整个电源并非完全本安，仍需要多重化限能电路。下面对不同的电源结构分类并给出其特
23、点。2.2.1一次本安电源一次本安电源通常用作交流到直流的电能转换，即AC /DC 电源，该类型电源通常为隔爆兼本安电源，也有文献称为输出本安电源。一次本安电源有以下设计要求。多重化保护。一次本安电源实现非本安电源到输出本安电源的转换，国家标准要求保护器件或组件必需采用多重化保护。效率高。由于一次本安电源需放入防爆壳内，不利于散热，因此需要降低电路损耗，避免热量的积累对电源寿命产生较大影响，同时需提高效率，减少损耗。体积小。防爆外壳壳体的厚度、防爆面的宽度都有一定的要求，合格的防爆外壳与普通的电源外壳相比，体积大，质量大，使用不方便，因此要尽可能减小体积。容量大。由于现场的本安设备日益增多，一
24、次本安电源的容量越大越好，因此大容量是一次本安电源在保证安全条件下的主要特点，也是设计的主要目标之一。输入输出电气隔离。一次本安电源输入侧为非本安的交流电压，输出为本安型，电源电路正是由非本安至本安的转换过程，为防止非本安输入转至本安输出，要求电气隔离，且必须符合相关标准。一次本安电源的结构归纳为以下3 种。此3 种结构都是由非本安交流输入利用防爆电缆经防爆外壳上的防爆接口进入防爆壳内。第1 种本安电源结构如图2-5所示，该结构采用工频变压器进行降压及隔离，整流后经线性变换器实现电压的稳定输出，最后经多重化保护电路保证。输出本安特性。该结构由于使用工频变压器，所以体积大、质量小; 由于采用线性
25、变换器，虽然输出纹波小，但是效率低。为保证全输入电压范围都能满足线性稳压器最小压差的要求以正常工作，需要按照最小交流输入电压设计工频变压器变比，当输入电压为上限时，损耗会大幅增加，对安全性与可靠性带来不利影响。约在公元2000 年以前，国内产品与研究对象主要采用该结构。图 2-5 采用线性变换器一次本安电源结构 第2 种本安电源结构采用开关变换器实现电压等级的变换，如图2-6所示。与第1 种本安电源结构相同，采用工频变压器进行降压及隔离，但在整流后经过开关变换器实现电压的稳定输出，最后同样经多重化保护电路保证输出本安。该结构中由于采用工频变压器已起到隔离作用，所以开关变换器可以采用非隔离型开关
26、拓扑，开关变换器的使用可提高电源效率。图 2-6 采用开关变换器一次本安电源结构 第3 种结构如图2-7所示，在煤矿井下的照明供电系统中，千瓦级隔爆型AC/DC 开关变换器开始采用高频开关变换器，出现了无工频变压器的倾向。无工频变压器可以使电源体积大幅减小，使用更加方便。无工频变压器一次本安电源结构，采用高频变压器实现隔离型开关变换器取代工频变压器的隔离及变压作用。该结构因具有体积小、质量小、效率高、可隔离、方便多重化的实现等优点，已成为一次本安电源的发展方向，但是设计时要特别注意隔离性能需满足危险环境的标准要求。图2-7 高频开关变换器一次本安电源结构2.2.2 二次本安电源二次本安电源安装
27、在一次本安电源之后，对本安电源进行二次转换，通常是直流变直流，即DC/DC电源，以满足现场设备多样性的要求。由于是本安型输入，可以将二次本安电源设计成完全本安型。二次本安电源在本安防爆系统中的地位决定其特点，其具有以下设计要求。1)完全本安。由于输入为本安电源，输出也是本安电源，要求体积小，因此不适合采用隔爆型，只能采用完全本安的型式，即输入、内部、输出各个部分都是本安型的。2)参数合理。输入参数、内部参数及输出参数都需要满足本安的技术指标。由于二次本安电源是一次本安电源的负载，对于系统的本安特性是有影响的，因此在设计二次本安电源时需要合理设计输入参数，输入参数的优化可改善分布式本安防爆系统中
28、一次本安电源的负载特性; 内部变换器中储能元件参数的优化选择可为实现完全本安提供参考; 输出参数必须满足本安设备对于供电电源的要求。 3)不需要多重化保护。当现场设备出现故障时，即使二次本安电源没有保护环节，由于一次本安电源的输出已经具有本安特性，其多重化限能环节会执行保护措施，因此不会破坏系统的本安性，二次本安电源不需要多重化限能。但是为限制故障的影响范围，二次电源需要有保护功能，因此前端保护方式很适合此情况。 4) 效率高。一次本安电源的输出容量有限，为尽可能多地向现场设备供电，减少一次本安电源的数量，二次本安电源最好具有高效的特点。 5) 体积小。二次本安电源通常是嵌入到现场设备内使用，
29、所以要求体积尽量小，模块式最佳。 6) 输入参数可量化。作为一次本安电源的负载，需要明确二次本安电源的输入电容和输入电感参数，以此为系统的设计提供依据。二次本安电源可以是隔离型的，也可以是非隔离型的; 可以是线性电源，也可以是开关电源。由于一次本安电源中已具有隔离特性，因此二次本安电源的隔离不是必须的，但隔离型电源利于实现本安系统中信号的抗干扰。目前，多路隔离本安电源的产生是采用多个一次本安电源的方式实现，工程应用中很不方便，可采用隔离型二次本安电源。在现场的工程应用中，由于没有高效完全本安的DC /DC 模块化开关电源，目前国内外多采用三端稳压器实现。此电源是非隔离型式线性电源，该方式可以满
30、足小体积、完全本安、具有保护功能等要求，以及输出纹波小的特点，但是效率较低，随着本安防爆系统规模的扩大以及现场设备对本安能量需求的增加，采用开关变换器的二次本安电源将是发展趋势之一。根据实际需要也可以采用开关型DCDC电源与线性稳压器结合的演化结构。自2005 年起，国内开始对本安开关变换器进行研究。本章小结本章首先介绍了本安防爆系统结构及特点及几种常见的系统结构，接下来介绍了本安电源的分类和本安电源结构，然后还分别介绍了一次本安电源和二次本安电源。第3章 本安电源硬件设计方案3.1电源电路的总体设计思路依据 GB3836.4-2010 标准规定，本质安全型电源需要双重过压过流保护，保证在出现
31、一级故障的情况下，依然能够满足本质安全的要求，这样可极大地提高了下电路工作的安全系数。同时，系统也要求具有自恢复功能，即：当系统故障排除后能自动回复到正常工作状态。根据设计矿用本安电源功能，设计的本安直流电源电路相对比较复杂，为了方便、简化设计，将设计电路根据功能分为三个设计模块，即过压过流保护模块，稳压模块，开关控制模块。3.2所用元器件简介设计的过压过流保护电路电路中除了用到了常用电气元件电阻，电容外，还用到了晶体三极管和二极管，电路的的过流过压保护功能主要通过控制三极管的通断来实现。下面将关于晶体三极管和二极管的几个概念和一些特性进行一下简单介绍。3.2.1 二极管 介绍二极管之前需要先
32、提出来另一个名词PN结。PN结采用不同的掺杂工艺， 将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。 PN结具有单向导电性，即外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极是阳极，由N区引出的电极是阴极。3.2.2 二极管的伏安特性与PN结一样，二极管具有单向导电性。但是由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，所以当外加正向电压时，在电流相同的情况下，二极管的端电压大于PN结上的压降；或者说，在外加正向电压相同的情况下，二极管的正向电流要小于PN结的电流；在大电流情况下，这种
33、影响更明显。另外，由于二极管表面漏电流的存在，时外加反向电压时的反向电流更明显。在二极管加有正向电压，当电压值较小时，电流极小；当电压超过0.6V时，正向电流开始随电压按指数规律增大，使二极管开始导通的临界电压二极管的开启电压；当电压达到约0.7V时，二极管处于完全导通状态，通常称此电压为二极管的导通电压，用符号UD表示。对于锗二极管，开启电压为0.2V，导通电压UD约为0.3V。 3.2.3 主要参数用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。不同类型的二极管有不同的特性参数。1、最大整流电流IF：最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值，其值与P
34、N结面积及外部散热条件等有关。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为141左右，锗管为90左右）时，就会使管芯过热而损坏。所以在规定散热条件下，二极管使用中不要超过二极管最大整流电流值。例如，常用的IN40014007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。 2、最高反向工作电压： 加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。例如，IN4001二极管反向耐压为50V，IN4007反向耐压为1000V。 3、反向电流 ：反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。反向电流越
35、小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10，反向电流增大一倍。4、最高工作频率FM： FM是二极管的上限截止频率。超过此值时，由于结电容的作用，二极管将不能很好的体现单向导电性。3.2.4稳压二极管稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管，它的电路符号是:。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定的功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。 稳压二极管的伏安特性与普通二极管相类似，如图3-1所示，正向特性为指数曲线。当稳压管外加反向电压的数值大到一定程度时则被击穿，击穿区
36、的曲线很陡，几乎平行于纵轴，表现其具有稳压特性。只要控制反向电流不超过一定值，管子就不会因过热而损坏。图3-1 稳压管的伏安特性曲线稳压二极管(又称齐纳二极管)： 是一种专门工作于反向(崩溃，Breakdown)区域的二极管，如有一适量的电流流经此二极管，则其两端点间产生一固定不变的电压，名为：”稳压电压”，由于其电压稳定，故被广泛用于稳压电路或用作参考电压源。本次设计的稳压电路就是利用了稳压管良好的稳压特性。电路符号和曲线图3-2所示：图3-2 稳压管的等效电路图3.2.5 晶体三极管晶体三极管又称“半导体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP
37、（或NPN）结构。中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。E区掺杂浓度最高，B区薄，掺杂浓度最底；C 区面积最大。 晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的。晶体三极管的作用主要是电流放大，它是电子电路的核
38、心元件，现在的大规模集成电路的基本组成部分也就是晶体三极管，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真的放大输出。以NPN型硅管接入共射放大电路为例讲述晶体三极管的放大作用、特性曲线和主要参数。输出特性曲线描述基极电流IB为一常量时，集电极电流iC与管压降UCE之间的函数关系，即：iC=f (uCE)，iB= 常数对于每一个确定的IB，都有一条曲线，所以输出特性是一族曲线，如图3-3所示。 图3-3 晶体三极管输出特性曲线对于某一条曲线，当uCE从零逐渐增大时，集电极结电场随之增强，收集基区非平衡少子的能力逐渐增强，因而iC也就逐渐增大。而当uCE增大到一定数值时，集电结电场足以将基区非
39、平衡少子的绝大部分收集到集电区来，uCE再增大，收集能力已不能明显提高，表现为曲线几乎平行于横轴，即iC几乎仅仅决定于IB。 从输出特性曲线可以看出，晶体管有三个工作区域，截止区，放大区，饱和区。（1） 截止区：其特征是发射结正电压小于开启电压且集电结反向偏置。对于共射电路，UBE=Uon且UBE=Uon。此时Ib=0,而icUon且UCE=UBE。此时，ic几乎仅决定于ib,而UCE与无关，表现出ib对ic的控制作用，Ic=。在理想情况下，当IB按等差变化时，输出特性是一组横轴的等距离平行线。（3） 饱和区：其特征是发射结与集电结均处于正向偏量。对于共射电路，UBEUon且UCEUBE。此时
40、ic不仅与ib有关，而且明显随UCE增大而增大，Ic小于。在实际电路中，若晶体管的UBE增大时，ib随之增大，但ic增大不多或基本不变，则说明晶体管进入饱和区。3.2.6发光二极管发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。发光二级管的发光颜色决定于所用材料，目前只有红、绿、黄、橙等色，可以制成各种形状，如长方形、圆形等。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，本次设计用到了红色发光二级管和绿色发光二级管。如下图下图3-4所示
41、为发光二级管的符号。图3-4 发光二级管符号3.3过压过流保护电路的设计由于本安电源的过压过流保护电路可以限制电路中电压和电流的大小从而可以保证矿用本安电源的安全，因而过压过流保护电路的设计尤为重要。为了使电源更可靠安全一般在本安电气设备中电路都需要采用双重过压过流保护电路，即一级过压过流保护电路、二级过压过流保护模块。两级过压过流保护电路设计思路和设计原理完全相同，过压过流保护电路的如图3-5所示。 图3-5过压过流保护电路3.3.1过压过流保护电路的保护原理 两级过压过流保护电路主要通过控制晶体三极管的通断来实现的。 一级过压过流保护电路的保护原理是：输入的12V(也可是其他数值）直流电源
42、先经过两条并联支路，一是由两个490欧姆的电阻R1.R2并联组成的负载分压电路接到晶体三极管Q1的发射极上，经过该条分压支路得到的电压比输入的直流电源12V小一些；二是由两个IN4007（最大整流电流为1A)型号的二级管ID1、ID2串联组成的电路接到晶体三极管Q1的基极上，由于二极管的单向导电性，而12V又远远大于二极管的开启、导通电压，所以此时两个二极管导通，而经过两个二极管的这条支路电压基本没什么变化。此时根据各个点的电位可以判断出UBEUon（0.2）,UCEUBE,根据晶体三极管的输出特性曲线可知晶体三极管Q1处于放大状态。经过两个二极管的这条支路向下经过一个1千欧姆的分压负载电阻R
43、3然后接到晶体三极管Q2的集电极上，从输入的12V(也可是其他数值）直流电源接入的另外一条支路经过由两个分压电阻1千欧姆的R4和490欧姆的R5组成的串联电路接到晶体三极管Q2的的基集上，而晶体三极管Q2的发射极接地，电位为0此时，Q2也满足UBEUon（0.2）,UCEUBE，处于放大状态。从R4引出的一端接到晶体三极管Q3的集电极上，Q3的发射极接地，由于47uf电容C1的作用，Q3延迟导通，当电路电源接通时，先给电容充电，C1充电完成后，Q3才导通。当电路出现故障断电时，电容放电，给电路提供电源，能实现断电保护功能。 从输入的12V(也可是其他数值）直流电源接入一条支路经一10千欧姆的负
44、载电阻R10接到了晶体三极管Q4的基集上，从Q3的基集接入的R7出来分成了两条路，一条接12V的稳压管，另一条支路接到了晶体三极管Q4的集电极上，而根据电路图可以看出晶体三极管Q4发射极的电位是可以准确算出来的。输入的12V(也可是其他数值）直流电源经过两个分压电阻470欧姆的R9和2.4千欧姆的R11组成的串联分压R11的另一端直接接地，根据分压原理有：UE=2.4/（2.4+0.47）*12V=10.03V，Q4也满足处于放大状态的条件。 上述是一级过压过流保护电路的保护原理，二级过压过流保护电路的保护原理和其类似。只是输入电压变为经过一级过压过流保护电路的直流电压。二级保护输入的直流电源
45、先经过两条并联支路，一是由两个490欧姆的电阻R12.R13并联组成的负载分压电路接到晶体三极管Q5的发射极上，经过该条分压支路得到的电压比输入的直流电源略小一些；二是由两个IN4007（最大整流电流为1A)型号的二级管D4、D5串联组成的电路接到晶体三极管Q5的基集上，由于二极管的单向导电性，而输入的直流电源又远远大于二极管的开启、导通电压，所以此时两个二极管导通，而经过两个二极管的这条支路电压基本没什么变化。此时根据各个点的电位可以判断出UBEUon（0.2）,UCEUBE,根据晶体三极管的输出特性曲线可知晶体三极管Q5处于放大状态。经过两个二极管的这条支路向下经过一个1千欧姆的负载分压电
46、阻R14然后接到晶体三极管Q6的集电极上，从输入的12V(也可是其他数值）直流电源接入的另外一条支路经过由两个分压电阻1千欧姆的R16和490欧姆的R15组成的串联电路接到晶体三极管Q6的的基集上，而晶体三极管Q6的发射极接地，电位为0.此时，Q6也满足UBEUon（0.2）,UCEUBE，处于放大状态。从R14引出的一端接到晶体三极管Q7的集电极上，Q7的发射极接地，由于47uf电容C2的作用，Q7延迟导通，当电路接通时，先给电容充电，C2充电完成后，Q7才导通。当电路出现故障断电时，电容放电，给电路提供电源，能实现断电保护功能。从输入的12V(也可是其他数值）直流电源接入一条支路经一10千
47、欧姆的负载电阻R20接到了晶体三极管Q8的基集上，从R17出来分成了两条路，一条接12V的稳压管，另一条支路接到了晶体三极管Q8的集电极上，而根据电路图可以看出晶体三极管Q8发射极的电位是可以准确算出来的。输入的12V(也可是其他数值）直流电源经过两个分压电阻470欧姆的R9和2.4千欧姆的R11组成的串联电路直接接地，根据分压原理有：UE=2.4（2.4+0.47）*12V=10.03V，Q8也满足处于放大状态的条件。3.4稳压电路的设计经过双重过压过流保护电路得到的电压可能有一些纹波，为了保证电源的质量经过双重保护电路得到的电源必须要经过稳压电路进行稳压获得较为干净稳定的直流电压信号将其作为系统的直流电源输出。本次设计的稳压电路原理比较简单，由于稳压管的稳压效果不错，设计采用了两个稳压管并联的方式，电路既简单，又实现了稳压功能。稳压电路图所下图3-6所示。图3-6 稳压电路图3.4.1稳压电路稳压原理稳压电路的稳压原理：经过两级过压过流保护电路得到的直流电源再经过由两个12V的稳压管D7、D8并联组成的稳压电路，由稳压管的特性可知稳压管两端点间产生一固定不变的电压，电压稳
