總線式頂板離層監測系統中本安電源的設計

摘要：結合晉煤集團煤礦巷道頂板監測系統開發項目中本安電源設計遇到的問題，介紹了KJ132總線式頂板離層監測系統中電源的總體設計思路，對三端穩壓器的典型應用電路進行了闡述。

關鍵詞：三端穩壓器 電源 應用

0 引言

單片機應用系統的防爆型式主要以本質安全型為主，防爆單片機應用系統應是低電壓、小電流和小功率系統。技術中心機電室的煤礦巷道頂板監測項目中，所設計的KJ132總線式頂板離層監測系統采用先進的數據采集和A/D轉換技術，因此對電源的要求比較高。項目中需要設計三路本安電源輸出，其中的二路12V本安輸出電源供KGE33位移傳感器使用，一路5V本安輸出電源供KLY6本質安全通信中繼器使用。這種電源可以使用干電池，但是干電池使用壽命短，長時間工作性能不穩定，需要定期維修更換，不適應井下工作環境。因此我們設計了用變流電源經過變換而成的直流電源。

1 總體設計思路

電源組成方框圖示意圖：電網電壓——電源變壓器——整流電路——濾波電路——一級穩壓電路和限流電路——二級穩壓電路和限流電路——輸出到負載。其中各部分功能和作用如下：

1.1 由于煤礦的井下環境，對220V電源用的很少，一般采用127V交流電照明，127V交流電好取，故選取127/12V電源變壓器。

1.2 整流電路：利用具有單導向電性的整流元件，將正負交替的正弦交流電壓整流為單方向的脈動電壓，但這種單向脈動電壓包含很大的脈動成分，距離理想的直流電壓還差的很遠。

1.3 濾波電路：盡可能地將單向脈致力電壓中的脈動成分濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓，但是當電網電壓或負載電流發生變化時，濾波器輸出的直流電壓的幅值也將隨之變化，在要求比較高的電子設備中，這種情況是不符合要求的。

1.4 穩壓電路和限流電路：使輸出的直流電壓在電網電壓或負載電流發生變化時保持穩定。同時要滿足本質安全型對電流的要求。

2 電源設計的具體實施

在設計本質安全型電路時。首先應設計好本質安全型電源。為了使電源輸出滿足本質安全防爆要求。一般電源應具有雙重或多重化的限壓(或穩壓)，限流(或恒流)措施。并盡量減少輸出端的儲能元件和容量(如：輸出濾波消振電容的電容量)。當輸出端發生短路等故障時，應具有保護功能，并當故障排除后，應能自動恢復正常。為此我們主要作了如下工作：

2.1 對317系列的應用 由于采用317系列可接成性能良好的可調式恒流源，所以我們利用317系列組成限流電路，將電流限定在規定的數值下。LM317L和LM317M的最大負載電流分別為0.1A、0.5A，不能滿足工作要求。最后我們選擇了LM317，LM317的性能如下：LM317為三端可調式正集成穩壓器，輸出電壓通過外接兩個電阻可在1.2—35V范圍內調節，最大負載電流1.5A，電路內部設置過流保護、芯片過熱保護及調整管安全區保護功能等。

LM3I7的主要電參數：

電壓調整率：0.01%

電流調整率：1%

基準電壓：1.25V

調整端電流：50uA

調整端電流變化：0.2uA

紋波抑制比：80dB 最小60dB

最大輸入電壓：40v

最小輸入電壓：3v

由LM317組成的基本電路如圖1：

在LM317工作中，其輸出端out和調節端ADJ之間形成的1.25v的基準電壓VREF，加在電阻R1上，產生恒定的輸出電流I1=VREF/R1，如果將負載放在基本電路中R2的位置，負載就可得到一個恒定的電流，調節R1可改變輸出的電流值，恒流源輸出I₀=(VREF/R1)+IADJ（VREF為LM317的基準電壓）。固定電阻R1就可得到固定式恒流源。

在我們的設計中，我們固定R1，取R1=3Ω。

則輸出電流I₀=(VREF/R1)+IADJ=1.25/3+50uA≈0.416A.

此時消耗在R1上的功率為0.416×1.25≈0.52W。取安全系數為1.5，則有0.52×1.5=0.78W。實際電路中我們取R1為3Ω/2W。完全能夠滿足上述要求。輸出電流0.416A遠遠小于5V電壓點燃甲烷空氣混合物的最小點燃電流。因此我們設計的電源符合安全火花輸出。

2.2 對7800系列和7900系列的應用 經LM317限流后，輸出電流不隨負載的變化而變化，但輸出電壓不穩定，為此我們在限流電路后加了7800和7900系列三端固定輸出穩壓器，來提高電源電壓的穩定性。其中78L00系列的最大輸出電流為0.1A，不符合我們的輸出電流的設計要求，78M00系列最大輸出電流為0.5A，雖然能滿足要求，但安全空間太小，因此我們選用最大輸出電流為1.5A的7800系列。7900系列輸出固定的負電壓，電壓和電流品種與7800系列大致相同。這里我們選用了7805和7905兩種三端固定輸出穩壓器。由于是±5V安全火花輸出電源，我們采用了正、負電壓同時輸出的電路將7800系列和7900系列穩壓器組合連接成圖2所示的電路。

2.3 電源設計時功率、電平及抗干擾等問題的考慮 系統電源設計是單片機應用系統設計中的一項極其重要的工作，它對整個單片機系統是否正常運行起著至關重要的作用。電源設計時應該同時考慮功率、電平及抗干擾等問題，電源功率必須能滿足全系統的需要。單片機系統的絕大多數器件以脈沖方式工作，對較小的系統，功率消耗的脈沖特性更為突出，而較大的系統由于器件功耗的分散性，使得系統整體的功率消耗比較平穩。因此，單片機系統的電源必須有足夠的耐沖擊性，這就要求電源設計時留有充分的余量，一般大系統按實際功率消耗的1.5倍—2倍設計，小系統按實際功率消耗的2倍—3倍設計。我們按實際功率消耗的2倍設計。

KDW51隔爆兼本質安全型電源已經通過了煤炭科學總院重慶分院的本安檢驗和常州自動化所的性能檢驗。取得了煤礦礦用產品安全標識證書和防爆合格證。可以投入市場，創造更好的經濟效益。

參考文獻：

[1]關德新.單片機外圍器件實用手冊——電源器件分冊.2002.北京航空航天大學出版社.

[2]周富發.常見的三端固定集成穩壓電路.1997.人民郵電出版社.

作者簡介：朱鵬躍，男，1973年生，機電工程師，1998年畢業于太原理工大學自動化與信息工程系應用電子技術專業。現在晉城煤業集團晉圣公司從事煤礦井下機電管理工作。