ИСКРОБЕЗОПАСНЫЙ АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
INTRINSICALLY SAFE SELF-CONTAINED POWER SUPPLY

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к искробезопасным устройствам шахтной автоматики, и может быть применено в областях техники, где необходимо применение искробезопасных источников питания.
Известен искробезопасный автономный источник питания аппаратуры шахтной автоматики [1], совмещающий функции ограничения разряда аккумуляторной батареи и обеспечения ее искробезопасности, что обеспечивается ограничением тока короткого замыкания и исключением возможности повторного открывания коммутирующего транзистора при коротком замыкании в цепи нагрузки. Недостатком предложенной конструкции является наличие гальванической связи между цепью аккумуляторной батареи и цепью нагрузки, что, в случае выхода из строя коммутирующего транзистора, может привести к появлению повышенного тока в искробезопасной цепи нагрузки.
Известен способ искрозащиты [2], при котором преобразуют постоянный ток в постоянный, разделяют с помощью трансформатора искроопасную и искробезопасную цепи и ограничивают выходной ток в искробезопасной цепи до искробезопасного значения за счет ограничения энергии в искроопасной цепи. Недостатком этого способа является малая выходная искробезопасная мощность.
В изобретении [3] представлена разработка искрозащитного барьера, в котором с целью увеличения передаваемой искробезопасной мощности в искроопасную линию связи введен датчик с чувствительными элементами контроля напряжения, тока и первой производной напряжения. Он включен в искроопасную цепь и подключен к блоку управления преобразователя постоянного тока в постоянный. Недостатком схемы является сложность схемной реализации.
В работе [4] предложена схема обеспечения искробезопасности источника питания, содержащая блок, состоящий из полупроводникового ключа со схемой управления, который отключает выход источника питания от нагрузки в случае неисправности стабилизатора, при которой может увеличиться ток или напряжение на выходе стабилизатора. Благодаря дифференциальному усилителю сопротивление резистора может быть выбрано достаточно малым, тем самым уменьшается мощность, выделяемая внутри устройства. На ключе выделяемая мощность пренебрежимо мала, поскольку сопротивление открытого ключа может быть выбрано достаточно малым. Недостатком схемы является наличие гальванической связи между искроопасной цепью источника питания и искробезопасной цепью нагрузки.
Задачей предлагаемого технического решения является создание простой и надежной схемы искробезопасного источника питания на основе аккумуляторной батареи для применения в системах мобильной связи на горных предприятиях. Технический результат заключается в упрощении конструкции при обеспечении высокой надежности и расширении функциональных возможностей.
Поставленная задача достигается тем, что разработан и изготовлен искробезопасный автономный источник питания, содержащий блок аккумуляторной батареи (АКБ), преобразователь постоянного напряжения в постоянное (DC-DC), обеспечивающий гальваническую развязку цепи аккумуляторной батареи и выходной цепи, и схема обеспечения искробезопасности, выполняющая функции контроля напряжения и тока участка искробезопасной цепи.
Согласно изобретению, для отделения искроопасной цепи аккумуляторной батареи 1 от вторичной искробезопасной цепи применен интегральный DC-DC преобразователь 2, к выходу которого подключен блок 8, содержащий датчик тока (ДТ) 3, инвертирующий операционный усилитель (ИОУ) 4, микроконтроллер (МК) со встроенным аналого-цифровым преобразователем 5, полупроводниковый ключ 6. Блок 8 отключает выход 7 автономного источника питания от нагрузки в случае неисправности DC-DC преобразователя 2, при которой может увеличиться ток или напряжение на выходе стабилизатора.
DC-DC преобразователь выполняет функцию стабилизации выходного напряжения при изменении напряжения на клеммах АКБ в процессе разряда, гальваническую развязку цепи АКБ и цепи нагрузки.
На фиг. 1 приведена структурная схема построения предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Предположим, что в DC-DC преобразователе 2 возникла неисправность, приведшая к росту тока и напряжения на выходе. Ток через датчик тока 3 увеличится, а следовательно, увеличится напряжение на выходе датчика тока. Это напряжение усиливается инвертирующим операционным усилителем 4 и подается на вход A/D0 аналогового входа микроконтроллера 5. Одновременно увеличивающееся напряжение подается на вход A/D1 аналогового входа микроконтроллера. При достижении напряжения и тока пороговых значений, задаваемых программой управления микроконтроллера, на цифровом выходе РВ0 формируется управляющее напряжение, запирающее ключ 6.
После запирания ключа 6 выход источника питания оказывается обесточен, что и требуется для обеспечения искробезопасности.
Требуемая ГОСТ 51330.10 искробезопасность при возможных неисправностях может обеспечиваться дублированием или троированием блока 8.
Практическая реализация полезной модели выполнена с применением в качестве датчика тока 3 прецизионной интегральной микросхемы типа ACS712 (±5 А), принцип действия которой основан на эффекте Холла, в качестве усилителя 4 - интегральной микросхемы типа МСР601, датчика напряжения - резистивного делителя, микроконтроллера - микросхемы ATtiny13, интегрального стабилизатора напряжения питания схемы обеспечения искробезопасности - микросхемы L7805CV, DC-DC преобразователя - микросборки NSD15-S (Uвх=9,4÷36 В, Uвых=12 В, P=15W), в качестве полупроводникового ключа - MOSFET транзистор IRFZ44.
Промышленный образец искробезопасного автономного источника питания при колебаниях напряжения на АКБ в диапазоне 14,8-10 В обеспечил выходной ток до 0,6 А при напряжении 12 В.
На фиг. 2 приведена зависимость выходного напряжения на выходе искробезопасного автономного источника питания от выходного тока при изменении сопротивления нагрузки от 100 Ом до 0, полученная экспериментально.
Промышленные испытания полезной модели производились на участке скипового подъема ствола СС рудника «Комсомольский» (ПАО «ЗФ «ГМК «Норильский никель») в качестве искробезопасного источника питания мобильной аппаратуры связи МР90 (FHF Bergbautechnik GmbH & Co.KG), установленной на скипах. Получены положительные результаты, подтверждающие работоспособность предложенных решений.
Источники информации
1. Искробезопасный автономный источник питания аппаратуры шахтной автоматики. E21F 9/00. Патент SU 1640450 А1. Дата публикации 07.04.1991. А.В. Жадан, В.П. Диденко, А.Ю. Городецкий.
2. Коган Э.Г. Способы и средства обеспечения искробезопасности рудничного электрооборудования [Текст]: научное издание / Э.Г. Коган. - М.: Недра, 1988. - 98 с.: ил.
3. Способ искрозащиты. E21F 9/00. Патент РФ №2029876. Дата публикации 27.02.1995. Давыдов В.В., Листвинский В.М., Сорокин А.А.
4. Искробезопасный источник питания. Н02Н 9/00, E21F 9/00. Заявка РФ №2479905. Приоритет: 30.09.2011. Заявители: Денисенко В.В., Халявко А.Н.