Устройство искрозащиты
SPARK PROTECTION DEVICE

Область техники
Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, и предназначено для использования во взрывозащищенном электрооборудовании, имеющем в своем составе автономные источники энергии и применяемом для работы во взрывоопасных средах.
Уровень техники
Стандартами взрывобезопасности (ГОСТ Р МЭК 60079-11; ГОСТ 51330-10) для взрывобезопасного прибора (далее - прибора), имеющего в своем составе автономные источники энергии, такие как гальванические и аккумуляторные батареи, установлено требование по обеспечению защиты от возможного появления напряжения внутренних источников энергии на внешних цепях прибора при возникновении любых аварийных ситуаций в его электронике.
Во внешних силовых цепях прибора, используемых для питания его электроники при технологическом обслуживании и/или зарядке аккумуляторов, в соответствии с рекомендациями стандартов взрывобезопасности, в частности ГОСТ 51330-10, устанавливают от одного до трех диодов (в зависимости от требуемого уровня взрывобезопасности), включенных последовательно между входным разъемом и цепью питания электроники прибора. Диоды, образующие устройство электрозащиты, обеспечивают протекание тока от внешнего источника напряжения к электронике прибора и гарантируют отсутствие напряжения внутренних автономных источников энергии на клеммах входного разъема прибора после отключения внешнего источника напряжения. Такое устройство имеет существенный недостаток. При питании прибора и зарядке аккумуляторов от внешнего источника напряжения на диодах падает напряжение до нескольких вольт, что приводит к сильному нагреву диодов при протекании больших токов и необходимости их охлаждения с помощью радиаторов или вентилятора. Кроме того, диоды имеют нелинейную вольтамперную характеристику, что значительно ухудшает контроль напряжения зарядки аккумуляторных батарей при зарядке от внешнего зарядного устройства, осуществляемой через цепь искрозащиты.
Из уровня техники известен также патент на изобретение RU 2479905 (Патентообладатель: ООО «Научно-исследовательская лаборатория автоматизации проектирования») (RU), опубликовано: 20.04.2013, МПК: Н02Н 9/00, E21F 9/00).
В искробезопасном источнике питания в качестве 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.
По совокупности общих признаков (полупроводниковый ключ, полупроводниковый диод в виде р-n перехода «база - эмиттер») данное устройство принято за прототип заявленного изобретения. В прототипе, представляющем собой оптронный ключ с Дарлингтоновским выходом, обратное напряжение ограничено напряжением пробоя транзисторного p-n перехода, порядка 5-8 В (физическое ограничение). При этом в прямом направлении падение напряжения у Дарлингтоновской схемы составляет 0,5-1,5 В. Это приводит к тепловым потерям при протекании больших зарядных токов и затрудняет контроль напряжения зарядки внутренних источников напряжения прибора при зарядке от внешнего зарядного устройства.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей изобретения является разработка устройства искрозащиты взрывобезопасного прибора с улучшенными характеристиками.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение падения напряжения в цепи искрозащиты взрывобезопасного прибора с внутренним источником напряжения для снижения тепловых потерь, и повышение точности контроля зарядки аккумуляторных батарей от внешнего зарядного устройства.
Совокупность существенных признаков, достаточная для достижения указанного технического результата и определяющая объем правовой охраны предлагаемого изобретения, включает по меньшей мере один каскад защиты, состоящий из оптоэлектронного драйвера и МДП-транзистора, при этом
положительный вывод, отрицательный вывод и катод оптоэлектронного драйвера соединены соответственно с истоком, затвором МДП-транзистора и отрицательной клеммой прибора;
анод оптоэлектронного драйвера и исток МДП-транзистора соединены с положительной клеммой прибора, причем соединение анода оптоэлектронного драйвера с положительной клеммой прибора выполнено через ограничительный резистор.
Кроме того, указанный технический результат достигается в частном случае реализации изобретения за счет того, что устройство искрозащиты взрывобезопасного прибора содержит по меньшей мере два и более одинаковых последовательно соединенных каскадов защиты с общим ограничительным резистором, установленным в анодной цепи оптоэлектронного драйвера первого каскада защиты, а входные цепи всех трех оптоэлектронных драйверов включены последовательно.
Устройство искрозащиты взрывобезопасного прибора с внутренним источником напряжения представлено на фиг. 1, 2.
На фиг. 1 показана устройство искрозащиты с одним каскадом защиты, а на фиг. 2 - устройство искрозащиты с тремя каскадами защиты.
На фиг. 1, 2 позициями обозначены:
1 - положительная клемма прибора;
2 - отрицательная клемма прибора;
3 - взрывобезопасный прибор;
4 - ограничительный резистор;
5 - оптоэлектронный драйвер;
6 - МДП-транзистор;
7 - блок электроники взрывобезопасного прибора;
8 - анод оптоэлектронного драйвера;
9 - катод оптоэлектронного драйвера;
10 - положительный вывод оптоэлектронного драйвера;
11 - отрицательный вывод оптоэлектронного драйвера;
12 - исток МДП-транзистора;
13 - сток МДП-транзистора;
14 - затвор МДП-транзистора;
15- первый каскад защиты;
16- второй каскад защиты;
17- третий каскад защиты.
Заявляемое изобретение основано на особенности структуры полевых транзисторов с МДП структурой (метал - диэлектрик - полупроводник). В процессе изготовления МДП-транзистора 6 между его стоком 13 и истоком 12 автоматически образуется дополнительный полупроводниковый диод, включенный в обратном направлении.
Устройство искрозащиты (фиг. 1) имеет полевой МДП-транзистор 6, включенный инверсно: исток 12 МДП-транзистора 6 подключен к положительной клемме прибора 1, а сток 13 к цепи питания блока электроники прибора 7, между истоком 12 и затвором 14 подключен выход оптоэлектронного драйвера 5, полярность которого при включении оптоэлектронного драйвера 5 совпадает с полярностью открывания затвора 14 МДП-транзистора 6, а вход оптоэлектронного драйвера 5 включен через ограничительный резистор 4 между положительной 1 и отрицательной 2 клеммами прибора. При таком включении диод МДП-транзистора 6 заменяет диод, применяемый в прототипе.
Положительная 1 и отрицательная 2 клеммы прибора используются для подключения внешнего зарядного устройства (на чертежах не показано) при периодической зарядке аккумуляторных батарей (на чертежах не показаны) блока электроники прибора 7.
Таким образом, положительный вывод 10, отрицательный вывод 11 и катод 9 оптоэлектронного драйвера 5 соединены соответственно с истоком 12, затвором 14 МДП-транзистора 6 и отрицательной клеммой прибора 2.
Анод 8 оптоэлектронного драйвера 5 и исток МДП-транзистора 6 соединены с положительной клеммой прибора 2, причем анод 8 оптоэлектронного драйвера 5 соединен с положительной клеммой прибора 1 через ограничительный резистор 4. Как вариант, схема искрозащиты взрывобезопасного прибора может быть выполнена с оптоэлектронным драйвером, реализованным на базе микросхемы PVI1050.
Идея изобретения состоит в создании «идеального диода», то есть цепи с практически нулевым падением напряжения при протекании большого тока в прямом направлении и запирающуюся в обратном направлении. При этом переключение должно происходить автоматически при смене полярности напряжения на ключе. По мнению авторов, сущность заявляемой схемы искрозащиты не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники и определяет изобретательский уровень технического решения.
Устройство искрозащиты допускает каскадное включение, для увеличения числа диодов искрозащиты по меньшей мере до двух и более в соответствии с требуемым уровнем взрывобезопасности. При этом каналы МДП-транзисторов 6 соединены последовательно в цепи питания, а входные цепи оптоэлектронных драйверов 5 соединены последовательно и включены через общий ограничительный резистор 4. Двухкаскадная схема искрозащиты обеспечивает более высокий уровень защиты по сравнению с однокаскадной схемой. Трехкаскадная схема искрозащиты обеспечивает наивысший уровень защиты -«особо взрывобезопасный ia» согласно ГОСТ Р МЭК 60079-11.
Этот вариант устройство искрозащиты взрывобезопасного прибора с внутренним источником напряжения содержит (фиг. 2) последовательно соединенные первый каскад защиты 15, второй каскад защиты 16 и третий каскад защиты 17 с общим ограничительным резистором 4, установленным в анодной цепи оптоэлектронного драйвера 5 первого каскада защиты 15. Все каскады защиты 15,16,17 имеют одинаковую структуру и состоят из оптоэлектронного драйвера 5 и МДП-транзистора 6.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Устройство взрывозащиты применено во взрывобезопасном приборе 3 и используется для питания от внешнего зарядного устройства аккумуляторных батарей блока электроники прибора 7. При отсутствии напряжения на положительной 1 и отрицательной 2 клеммах прибора входная цепь оптоэлектронного драйвера 5 обесточена, напряжения на выходе оптоэлектронного драйвера 5 нет, МДП-транзистор 6 заперт и искрозащиту обеспечивает его диод. После подключения внешнего зарядного устройства к клеммам 1,2 прибора через ограничительный резистор 4 во входной цепи оптоэлектронного драйвера 5 потечет ток, вызывая за счет фотоэлектрического эффекта появление напряжения на его выходе, что приведет к открытию канала МДП-транзистора 6.
При этом его диод будет шунтирован малым сопротивлением открытого канала, и падение напряжения в цепи искрозащиты станет пренебрежимо мало, что обеспечивает снижение тепловых потерь. Малое сопротивление открытого канала МДП-транзистора, составляющее сотые доли Ом, дает возможность повысить точность контроля зарядки аккумуляторных батарей от внешнего зарядного устройства, так как точность зависит от величины сопротивления зарядной цепи. Кроме того, использование оптоэлектронного драйвера с фотоэлектрическим выходом обеспечивает надежную гальваническую развязку между входной цепью драйвера и силовыми цепями устройства искрозащиты на уровне не менее 500 В.
Работа двух и трехкаскадного устройства искрозащиты полностью аналогична работе одинарного устройства искрозащиты.
Изобретение успешно испытано и внедрено Центром технической диагностики (АО «Транснефть - Диаскан») в конструкции внутритрубного инспекционного прибора, блок электроники которого использует для питания внутренние аккумуляторные батареи, которые при обслуживании периодически подзаряжаются от внешнего зарядного устройства.